Плазмонно-усиленная флуоресценция родтамина 6G на контролируемых расстояниях от золотых наночастиц

Аннотация

Исследуется флуоресценция субмонослойных молекул родтамина 6G вблизи золотых наночастиц (НЧ) на хорошо контролируемой толщине поли(метилметакрилата) (PMMA) в интервале от 1,5 до 21 нм. Плазмонные резонансные пики золотых НЧ настраиваются от 530 до 580 нм толщиной PMMA-разделителя. Затем, благодаря плазмонному резонансному усилению возбуждения, интенсивность излучения молекул родтамина 6G на 562 нм усиливается и показывает снижение по мере увеличения толщины PMMA-разделителя. Вариация спектральной интенсивности, смоделированная методом конечных разностей во временной области (FDTD), согласуется с экспериментальными результатами. Кроме того, результаты времени жизни показывают комбинированные эффекты на флуоресценцию родтамина 6G, включающие кавитационный эффект, барьерный эффект PMMA как разделительного слоя и эффект затухания PMMA-пленок.

Введение

Флуоресцентное кавитирование [1–4] и усиление [5–7] — два противоречивых явления, вызванные взаимодействием оптических молекул с металлами или металлическими наночастицами. За последние десятилетия значительное количество публикаций посвящено свойствам излучения флюорофоров в ближнем поле металлических наночастиц [8, 9]. Эти исследования указывают на то, что подавление происходит из-за затухания дипольных колебаний молекулы или орбитальной гибридизации при граничном взаимодействии [10–14], тогда как усиление обусловлено высоко усиленным падающим полем локального поверхностного плазмонного резонанса [14–16].

Родтамин 6G (R6G) широко используется как флуоресцентный маркер и лазерный краситель благодаря своей стабильности, высокой квантовой выходной флуоресценции и низкой стоимости. Большинство исследований о молекулах R6G фокусировались на их растворах [17–20], в то время как R6G в твердом теле изучались меньше [21, 22]. В то же время, хотя проведены обширные исследования плазмонно-усиленной флуоресценции, все еще слишком сложно полностью понять взаимодействие между плазмонным резонансом металлических НЧ и внутренними оптическими свойствами молекул. В частности, совмещение пика плазмонного резонанса с пиком излучения флюорофора подчеркивалось многими группами [23–26]. Это имеет большое значение для понимания природы плазмонных эффектов и для разработки измерительных приборов на основе молекулярной флуоресценции [27–31], таких как органические светодиоды (OLED) [32, 33], оптические сенсоры [34, 35] и молекулярные электронные приборы [36–38].

В нашей предыдущей работе усиление люминесценции одиночных нанокристаллов могло быть получено путем контроля длины волны поверхностного плазмонного резонанса и размеров НЧ [39]. Толщина разделительного слоя поли(метилметакрилата) (PMMA) могла быть точно контролирована для настройки излучения одиночных квантовых точек [40]. Показано, что молекулы тетрафенилпорфирина (TPP) драматически влияют на локализованный плазмонный мод [41, 42].

В этой работе плазмонные резонансные пики хорошо перекрываются с молекулярным пиком излучения. Фоtolюминесценция (PL) и флуоресцентные времена жизни субмонослойных молекул R6G на поверхности золотых НЧ укрепляют доказательства доминирования плазмонного усиления над нерадиативным распадом. Это исследование предоставляет важную возможность для углубления понимания одиночных или субмонослойных молекул R6G в твердом теле.

Методы

Фабрикация субстрата

Для получения чистого стеклянного субстрата с отрицательными зарядами на поверхности стекло держали в пираньевом растворе 30 мин и промывали деионизированной водой. Затем стеклянный субстрат помещали в 3 мл раствора 140-нм золотых наночастиц (Au НЧ) (Crystano™) с pH 3,0 на более чем 12 ч. После этого Au НЧ прочно адсорбировались на субстрате на основе электростатической адсорбции. После промывки и сушки плотность Au НЧ на стеклянном субстрате характеризовали атомно-силовой микроскопией (AFM).

Пленка поли(метилметакрилата) (PMMA) готовили центрифугированием при 3000 об/мин в течение 60 с в качестве разделителя между Au НЧ и молекулами родтамина 6G (R6G). Для контроля толщины разделителя раствор PMMA в метилбензене с разными концентрациями 0,03 масс.%, 0,1 масс.% и 0,4 масс.% наносили центрифугированием на стеклянную поверхность.

Подготовка субмонослойных молекул родтамина 6G

Субмонослойные молекулы R6G сублимировали на поверхность золотого или стеклянного субстрата в вакууме 10^–6 мбар при комнатной температуре термическим испарением. Скорость испарения и молекулярное покрытие контролировались непрерывным нагреванием напряжением, током и временем осаждения. Процесс повторяли несколько раз с использованием сканирующего туннельного микроскопа (STM) для определения подходящих условий подготовки. Распределение субмонослойных молекул R6G на субстратах характеризовали STM и AFM.

Фотолюминесценция

Спектры фотолюминесценции (PL) и время жизни флуоресценции измеряли в вакууме 10^–5 мбар при комнатной температуре. Стационарные спектры PL измеряли жидкостно-азотно охлажденным CCD-спектрометром (Princeton Instruments), а подсчет фотонов и измерения времени жизни выполняли микроканальной пластинчатой фотомножительной трубкой (Hamamatsu), комбинированной с техникой временно-коррелированного подсчета отдельных фотонов (Edinburgh Instruments). Для возбуждения образцов использовали импульсный пикосекундный полупроводниковый лазер при 375 нм (Advance Laser System).

Моделирование

Метод конечных разностей во временной области (FDTD) использовали для численного моделирования с программным обеспечением FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canada). Au наночастицы диаметром 140 нм с разной толщиной PMMA-разделителя размещали на стеклянных субстратах. Диэлектрическая постоянная золота брали из Ref. [43], а диэлектрические постоянные CTAB и PMMA принимали равными 1,40 и 1,49 соответственно. Преломляющий индекс окружающей матрицы устанавливали равным 1,0 для воздуха. Плоская волна полного поля-рассеянного поля в диапазоне 400–700 нм использовалась как падающий свет. Распределение электрического поля возле Au наночастицы оценивали с помощью мониторов частотно-областного профиля поля. Использовали трехмерную неравномерную сетку, и размер ячейки 0,5 нм выбирали для внутренней области и окрестностей Au наночастицы. Применяли идеально согласованные поглощающие граничные условия и симметричные граничные условия для уменьшения требований к памяти и вычислительного времени. Численные результаты прошли предварительное тестирование на сходимость.

Результаты и обсуждение

Размер и форма 140-нм Au НЧ сначала характеризовали передаточной электронной микроскопией (TEM). Как показано на рис. 1a, большинство частиц хорошо диспергированы со средним диаметром 140 ± 10 нм. Золотые НЧ, покрытые ультратонкими слоями поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмоний бромид (CTAB), также идентифицированы на рис. 1b. Гистограмма показывает, что толщины оболочки составляют 2,5 ± 1 нм (рис. 1c), что соответствует моно- или билипидному слою CTAB [44].

Типичные AFM-изображения Au НЧ, адсорбированных на стеклянном субстрате без и со слоем PMMA, показаны на рис. 2a, b. Сравнивая рис. 2a и b, можно заметить, что плотность Au НЧ в одном диапазоне схожа, но центрифугированная PMMA-пленка не может быть отличена на AFM-изображении. Поэтому для оценки толщины PMMA-пленок с разными концентрациями использовали настольный шиловый профилометр (Bruker). Рис. 2c–e показывают три образца с концентрациями 0,03 масс.% (~1,5 нм), 0,1 масс.% (~6,5 нм) и 0,4 масс.% (~21 нм) соответственно. На рис. 2f показаны спектры поглощения четырех разных субстратов. Явный красный сдвиг пика поверхностного плазмонного резонанса (SPR) наблюдается с увеличением толщины PMMA-слоев. Это может быть связано с увеличением локального показателя преломления вокруг Au НЧ, что хорошо согласуется с предыдущей литературой [45].

Субмонослойные молекулы R6G получали следующими шагами. Во-первых, поверхность Au (111) реконструировалась после ионного спуттеринга и высокотемпературного отжига, что подтверждается ее регулярными «чешуйчатыми» полосами (рис. 3a). Затем, после 60 с термического испарения при напряжении 0,8 В и токе 0,6 А, молекулы R6G осаждали на обработанной поверхности Au (111) и охлаждали до 80 К с жидким азотом. Распределение молекулярного субмонослоя характеризовали STM (рис. 3b). При сужении диапазона можно стабильно и многократно наблюдать отдельные изолированные молекулы, 3 нм в диаметре и 0,4 нм в высоте, похожие на яйца пашот (рис. 3c, d). Это можно объяснить слабым молекулярно-субстратным взаимодействием.

В тех же условиях молекулы R6G осаждали на стекло и PMMA/стекло субстраты соответственно. Однако комнатная температура намного выше температуры в рабочей полости STM. Поэтому уменьшение молекулярно-субстратного взаимодействия и ускорение молекулярной подвижности заставляют молекулы R6G на поверхности стекла образовывать молекулярные кластеры. Но их покрытие все еще меньше монослоя (рис. 4a), что также можно проверить на PMMA-пленке (рис. 4b). Сравнивая вставки рис. 4a и b, можно обнаружить, что размер молекулярных кластеров на PMMA-пленке больше при комнатной температуре в воздухе, в то время как их количество уменьшается. Этот результат может объясняться тем, что скорость миграции и адсорбционная способность молекул R6G на разных поверхностях субстратов различаются.

Рис. 4c показывает AFM-изображение молекул R6G на PMMA/Au НЧ/стекле. Из-за большой разницы в размере между молекулярными кластерами R6G и золотыми наночастицами трудно одновременно наблюдать и золотые наночастицы, и молекулярные кластеры. Но молекулярные кластеры можно наблюдать в профильной линии (вставка рис. 4c) по сравнению с PMMA/стеклом.

Флуоресцентные спектры R6G/PMMA/Au НЧ/стекло с разной толщиной PMMA-слоев, R6G/Au НЧ/стекло и R6G/стекло построены на рис. 4d. Люминесцентная интенсивность R6G/(PMMA)/Au НЧ/стекло оказывается усиленной по сравнению с R6G/стекло. Из коэффициента усиления люминесценции Таблицы 1 видно, что R6G/Au НЧ/стекло имеет наибольшее усиление с коэффициентом около 3,78. И его интенсивность уменьшается с увеличением толщины PMMA-пленки.

Учитывая пики поглощения Au НЧ, покрытых разной толщиной PMMA (530–580 нм) и пик излучения молекул R6G (562 нм), механизм усиления флуоресценции связан с степенью спектрального перекрытия и расстоянием разделения между молекулами и наночастицами. И PMMA, и CTAB на поверхности золотой сферы как разделительные слои играют ключевую роль в снижении нерадиативного переноса энергии между молекулами R6G и Au НЧ. Поскольку плазмонный резонанс — это сильный локальный ближнеполевой эффект, утолщение промежуточного слоя заставляет R6G постепенно выходить за пределы сильного локального поля. Это приводит к ослаблению эффекта усиления с увеличением толщины PMMA. С другой стороны, сдвиг плазмонного резонансного пика также вносит вклад в интенсивность излучения. Ширина спектральной линии поглощения четырех образцов очень широка. Все они покрывают пик излучения R6G. Хотя наилучшее совпадение между плазмонным резонансным пиком Au наносфер и пиком излучения R6G наблюдается при толщине разделения около 9 нм, усиление излучения R6G не сильнее, чем без PMMA-слоя, из-за уменьшения эффекта ближнеполевого усиления Au наносфер на большем разделительном расстоянии. Следовательно, расстояние разделения между Au наносферами и молекулами R6G играет ключевую роль в усилении излучения молекул R6G.

Помимо изменения интенсивности, также измеряли время жизни флуоресценции молекул R6G, как показано на рис. 4e. Трехэкспоненциальная функция хорошо аппроксимирует процесс распада возбужденных молекул R6G, результаты показаны в Таблице 1. Как показывает диаграмма, когда молекула R6G непосредственно испаряется на золотые наночастицы, время жизни флуоресценции самое короткое из-за кавитирующего эффекта металла. С утолщением разделительного слоя кавитирующий эффект уменьшается, и плазмонный эффект усиления также ослабевает, что приводит к увеличению времени жизни. Однако результаты тестов показывают, что время жизни флуоресценции не удлиняется с увеличением толщины PMMA, а сокращается. Хотя они все еще длиннее молекулярного времени жизни непосредственно на золотых наночастицах. Чтобы выяснить причину, мы измерили время жизни флуоресценции молекул R6G на PMMA/стекло субстрате (рис. 4f и Таблица 2). Также обнаружено, что PMMA может влиять на время жизни молекул, которое уменьшается с увеличением толщины. Это согласуется с явлениями PMMA/Au НЧ/стекло. Поэтому время жизни молекул на рис. 4f удлиняется, а затем сокращается, что является результатом существования PMMA-пленки. Когда молекулы R6G близки к Au НЧ, время жизни показывает явный кавитирующий эффект. По мере увеличения толщины PMMA-пленки наблюдаются барьерный эффект и эффект затухания PMMA-пленки.

Для объяснения наблюдаемой зависящей от расстояния флуоресцентной интенсивности молекул R6G, распределения ближнего поля Au НЧ с разной толщиной разделителя моделировали методом FDTD. Как показано на рис. 5a–d, сильные усиления электрического поля (|E/E₀|²) наблюдаются вокруг поверхностей наноструктур PMMA/CTAB/Au НЧ. На рис. 5e коэффициенты усиления экспериментальных флуоресцентных спектров и смоделированного электрического поля с увеличением толщины разделителя демонстрируют хорошее согласование. Смоделированный коэффициент ближнеполевого усиления намного больше экспериментального. Эта причина может быть в основном приписана идеальным моделям теоретических симуляций и кавитирующему эффекту Au НЧ.

Заключение

Подводя итог, мы испарили субмонослойные молекулы R6G на золотых НЧ с контролируемой толщиной PMMA-разделителя (1,5–21 нм). Изучали PL-спектры и кривые распада. Молекулярная флуоресцентная интенсивность усиливается резонансным усилением возбуждения и показывает снижение по мере увеличения толщины PMMA-пленки. Экспериментальный коэффициент усиления значительно ниже теоретического, полученного FDTD-симуляцией, главным образом из-за кавитирующего эффекта, вызванного зарядовым переносом и нерадиативным переносом энергии между возбужденными молекулами и Au НЧ. Кроме того, интересно отметить, что PMMA-пленки с разной толщиной содержат как барьерный, так и затухающий эффекты на время жизни, что подтверждается измерениями флуоресцентного времени жизни. Это исследование может проложить путь к практическим приложениям металло-усиленной флуоресценции в оптическом изображениях, биотехнологиях и детектировании материалов.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

R6G:

Родтамин 6G

NPs:

Наночастицы

Au NPs:

Золотые наночастицы

PMMA:

Поли(метилметакрилат)

OLEDs:

Органические светодиоды

TPP:

Тетрафенилпорфирин

PL:

Фотолюминесценция

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

STM:

Сканирующий туннельный микроскоп

CCD:

Зарядосвязанное устройство

FDTD:

Метод конечных разностей во временной области

TEM:

Передаточная электронная микроскопия

CTAB:

Цетилтриметиламмоний бромид

SPR:

Поверхностный плазмонный резонанс