Los químicos de Rice amplifican la luz de pequeñas concentraciones de moléculas en una superficie maximizando la superposición espectral entre la emisión y la resonancia del plasmón de nanopartículas adyacentes. Las moléculas brillantes se pueden ver claramente a simple vista cuando se excitan. Crédito:Jeff Fitlow
Los científicos de la Universidad de Rice han encontrado información reveladora donde la luz de una molécula se encuentra con la luz de una nanopartícula.
Los laboratorios de los químicos de Rice, Christy Landes y Stephan Link, demostraron cómo optimizar un método que puede detectar pequeñas concentraciones de moléculas al amplificar la luz que emiten cuando sus frecuencias espectrales se superponen con las de las nanopartículas plasmónicas cercanas.
Los plasmones de superficie, ondas de electrones coherentes que ondulan a través de la superficie de una nanopartícula metálica, actúan como antenas y mejoran la luz emitida por las moléculas hasta 10 veces cuando están en el "punto óptimo" cerca de una partícula.
Su técnica es el tema de un artículo en una edición especial del Revista de física química centrado en direcciones emergentes en plasmónicos. El trabajo en Rice podría ayudar a los investigadores a analizar las superficies activas de catalizadores y otros materiales a nanoescala, un paso importante para mejorar su eficiencia.
El descubrimiento se basa en el fenómeno de la electroquimioluminiscencia (ECL), por el cual la electricidad impulsa reacciones químicas que incitan a las moléculas a emitir luz, dijo Thomas Heiderscheit, estudiante de posgrado de Rice y autor principal del artículo. A menudo se usa para detectar trazas de materiales como metales pesados en el agua o el virus del Zika en fluidos biológicos.
Los científicos de Rice han desarrollado un método que puede detectar pequeñas concentraciones de moléculas cerca de la superficie de una nanopartícula al amplificar la luz que emiten cuando sus frecuencias espectrales se superponen con las de las nanopartículas plasmónicas adyacentes. Crédito:Thomas Heiderscheit
Estudios anteriores infirieron que la superposición espectral de la nanopartícula y las moléculas mejoraría la señal, pero esos estudios no pudieron explicar las diferencias innatas en los tamaños y formas de las nanopartículas que podrían enmascarar los efectos. Los investigadores de Rice se habían propuesto minimizar estos otros impactos para centrarse solo en el papel de la superposición de frecuencias espectrales en la mejora de la señal.
"Este estudio analiza qué tipo de antena es la mejor para usar, porque las propiedades de la nanopartícula dictan el espectro y su superposición con la molécula, "dijo Miranda Gallagher, un investigador asociado postdoctoral de Rice y coautor del artículo. "¿Debería ser redondo o debería tener bordes afilados? ¿Debería ser más pequeño o más grande?"
En experimentos, Los investigadores combinaron nanoesferas de oro o nano-triángulos de oro de punta afilada con una molécula de tinte a base de rutenio en una capa de polímero que evitaba que las moléculas migraran demasiado lejos de las partículas. "Ese es esencialmente nuestro electrodo, ", Dijo Heiderscheit." Si no tuviéramos el polímero, las moléculas de tinte podrían moverse libremente y veríamos la luz difundida a través de la muestra ".
Con las moléculas restringidas por el polímero, podían ver claramente moléculas que emitían partículas cercanas. Determinaron que la mejora de la señal se controla mediante una combinación de coincidencia de tamaño y frecuencia entre la molécula de tinte y las nanoesferas, y solo coincidencia de frecuencia para nanotriangulos.
El estudiante graduado de Rice, Thomas Heiderscheit, demuestra una técnica para amplificar la luz de pequeñas concentraciones de moléculas en una superficie. Crédito:Jeff Fitlow
La obtención de imágenes de una sola molécula sigue siendo un reto para la técnica incipiente, Dijo Heiderscheit.
"Esencialmente, estamos imaginando cuán activa es una superficie, "El Departamento de Energía (el patrocinador principal del proyecto) se preocupa por esta investigación porque podría lograr un mapeo de superresolución de la reactividad en una superficie". La superresolución permite la captura de imágenes por debajo del límite de difracción de la luz. .
"Por ejemplo, si tiene nanopartículas en un sistema de batería, puede usar ECL para mapear dónde las reacciones son más activas químicamente, ", Dijo Heiderscheit." Básicamente, estás determinando qué nanopartículas son un buen catalizador, y podemos usar esta herramienta para diseñar mejores ".
