Fluorescencia Mejorada por Plasmón de Rodamina 6G a Distancias Controladas de Nanopartículas de Oro

Resumen

Investigamos la fluorescencia de moléculas de rodamina 6G (R6G) en submonocapa cerca de nanopartículas de oro (NPs) a un espesor de intervalo de poli(metil metacrilato) (PMMA) bien controlado de 1,5 a 21 nm. Los picos de resonancia plasmónica de NPs de oro se ajustan de 530 a 580 nm mediante el espaciador PMMA de diferentes espesores. Luego, debido a la mejora de excitación resonante plasmónica, la intensidad de emisión de moléculas de R6G a 562 nm se encuentra mejorada y muestra un declive a medida que aumenta el espesor del espaciador PMMA. La variación de intensidad espectral simulada por el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) es consistente con los resultados experimentales. Además, los resultados de vida media muestran los efectos combinados sobre la fluorescencia de R6G, que incluyen el efecto de amortiguamiento, el efecto barrera del PMMA como capa espaciadora y el efecto de atenuación de películas de PMMA.

Introducción

El amortiguamiento de fluorescencia y la mejora son dos fenómenos contradictorios causados por la interacción entre moléculas ópticas y metales o nanopartículas metálicas. En las últimas décadas, una cantidad considerable de informes publicados se centran en las propiedades de emisión de fluoróforos en el campo cercano de nanopartículas metálicas. Estos estudios indican que la supresión resulta de la oscilación de dipolo molecular amortiguada o hibridación orbital por la interacción de interfaz, mientras que la amplificación se debe al campo incidente altamente mejorado por resonancia plasmónica de superficie localizada.

La rodamina 6G (R6G) se usa ampliamente como marcador fluorescente y colorante láser por su estabilidad, alta eficiencia cuántica de fluorescencia y bajo costo. La mayoría de investigaciones sobre moléculas de R6G se han centrado en sus soluciones, mientras que las moléculas de R6G en estado sólido han sido menos estudiadas. Mientras tanto, aunque se han realizado investigaciones extensas sobre la fluorescencia asistida por plasmón, sigue siendo demasiado complicado entender completamente la interacción entre la resonancia plasmónica de NPs metálicas y las propiedades ópticas intrínsecas de las moléculas. En particular, la coincidencia del pico de resonancia plasmónica con el pico de emisión del fluoróforo ha sido enfatizada por muchos grupos. Esto es de gran importancia para entender la naturaleza de los efectos plasmónicos y para el desarrollo de dispositivos de medición basados en fluorescencia molecular, como diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs), sensores ópticos y dispositivos electrónicos moleculares.

En nuestro trabajo previo, la mejora de luminiscencia de upconversion de nanocristal único podría obtenerse controlando la longitud de onda de resonancia plasmónica de superficie y tamaños de NPs. El espesor de capa separadora de poli(metil metacrilato) (PMMA) podría controlarse precisamente para ajustar las propiedades de emisión de puntos cuánticos únicos. Moléculas de tetrafenil porfirina (TPP) han demostrado ser afectadas dramáticamente por el modo plasmónico localizado.

En este trabajo, los picos de resonancia plasmónica se ajustan bien superpuestos con el pico de emisión molecular. Los espectros de fotoluminiscencia (PL) y vidas fluorescentes de moléculas de R6G en submonocapa en la superficie de NPs de oro fortalecen la evidencia de un dominio de mejora plasmónica sobre la desintegración no radiativa. Este estudio proporciona una oportunidad importante para avanzar en la comprensión de moléculas de R6G en submonocapa o monocapa única en estado sólido.

Métodos

Fabricación del Sustrato

Para obtener sustrato de vidrio limpio con cargas negativas en su superficie, el sustrato de vidrio se sumergió en solución piraña durante 30 min y se enjuagó con agua desionizada. Luego, el sustrato de vidrio se colocó en 3 ml de solución de nanopartículas de oro de 140 nm (Au NPs) (Crystano™) con pH 3,0 durante más de 12 h. Tras este tratamiento, las Au NPs se absorbieron firmemente en el sustrato basado en adsorción electrostática. Después de lavar y secar, la densidad de Au NPs en sustrato de vidrio se caracterizó por microscopio de fuerza atómica (AFM).

La película de poli(metil metacrilato) (PMMA) se preparó por centrifugado a 3000 rpm durante 60 s como espaciador entre Au NPs y moléculas de rodamina 6G (R6G). Con el fin de controlar los espesores del espaciador, se centrifugó solución de PMMA en metilbenceno con diferentes concentraciones de 0,03% p/p, 0,1% p/p y 0,4% p/p en la superficie de vidrio.

Preparación de Moléculas de Rodamina 6G en Submonocapa

Las moléculas de R6G en submonocapa se sublimaron a la superficie de sustrato de oro o vidrio en vacío de 10^–6 mbar a temperatura ambiente por evaporación térmica. La tasa de evaporación y la cobertura molecular se controlan mediante voltaje de calentamiento continuo, corriente y tiempo de deposición. El proceso se repitió varias veces usando un microscopio de efecto túnel (STM) para determinar una condición de preparación apropiada. La distribución de moléculas de R6G en submonocapa en los sustratos se caracterizó por STM y AFM.

Fotoluminiscencia

Los espectros de fotoluminiscencia (PL) y vida de fluorescencia se obtuvieron en vacío de 10^–5 mbar a temperatura ambiente. Los espectros PL de estado estacionario se midieron por un espectrómetro de dispositivo de carga acoplada (CCD) enfriado con nitrógeno líquido (Princeton Instruments), mientras que el conteo de fotones y mediciones de vida se completaron con un tubo fotomultiplicador de placa de microcanales (Hamamatsu) combinado con técnica de conteo de fotones correlacionados en el tiempo (Edinburgh Instruments). Un láser semiconductor de picosegundos pulsado a 375 nm (Advance Laser System) se usó para excitar las muestras.

Simulación

El método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) se usó para realizar la simulación numérica con el software FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canadá). NPs de Au con diámetro de 140 nm y diferentes espesores de espaciador PMMA se colocan en sustratos de vidrio. La constante dieléctrica del oro se toma de la Ref. [43], y las constantes dieléctricas de CTAB y PMMA se toman como 1,40 y 1,49, respectivamente. El índice de refracción de la matriz circundante se establece en 1,0 para aire. Una fuente de onda plana de campo total-campo dispersado que varía de 400 a 700 nm se utiliza como luz incidente. La distribución de campo eléctrico cerca de NP de Au se evalúa usando monitores de perfil de campo en dominio de frecuencia. Se usa un mallado tridimensional no uniforme, y se elige un tamaño de malla de 0,5 nm para el interior y vecindad de NP de Au. Se usan condiciones de frontera de absorción de capa perfectamente adaptada y condiciones de frontera simétricas para reducir el requisito de memoria y tiempo computacional. Los resultados numéricos pasan pruebas previas de convergencia.

Resultados y Discusión

El tamaño y forma de Au NPs de 140 nm se caracterizaron primero por microscopio electrónico de transmisión (TEM). Como se muestra en Fig. 1a, la mayoría de partículas están bien dispersas con diámetro promedio de 140 ± 10 nm. Las NPs de oro recubiertas con capas ultradelgadas de surfactante cetiltrimetilamonio bromuro (CTAB) también se identifican en Fig. 1b. El histograma muestra que los espesores de capa son 2,5 ± 1 nm (Fig. 1c), correspondientes a monocapa o bicapa de CTAB.

Imágenes AFM típicas de Au NPs adsorbidas en sustrato de vidrio sin y con una capa de PMMA se muestran en Fig. 2a, b. Comparando Fig. 2a y b, se encuentra que la densidad de Au NPs en el mismo rango es similar, pero la película de PMMA centrifugada no puede distinguirse por imagen AFM. Por tanto, un perfilómetro de estilete de sobremesa (Bruker) se usó para evaluar el espesor de películas PMMA con diferentes concentraciones. La Figura 2c–e muestra tres muestras con concentraciones de 0,03% p/p (~1,5 nm), 0,1% p/p (~6,5 nm) y 0,4% p/p (~21 nm), respectivamente. La Figura 2f muestra los espectros de absorción de cuatro sustratos diferentes. Se puede encontrar un claro corrimiento al rojo del pico de resonancia plasmónica de superficie (SPR) con el aumento del espesor de capas PMMA. Esto podría deberse al aumento del índice de refracción local alrededor de Au NPs, lo que tiene buena consistencia con la literatura previa.

Las moléculas de R6G en submonocapa se lograron mediante los siguientes pasos. Primero, la superficie Au (111) reconstruida después de sputtering iónico y recocido a alta temperatura, lo que puede confirmarse por sus franjas regulares en "espina de pescado" (Fig. 3a). Luego, tras 60 s de evaporación térmica a voltaje de 0,8 V y corriente de 0,6 A, las moléculas de R6G se depositaron en la superficie Au (111) tratada y se enfriaron a 80 K usando nitrógeno líquido. El estado de distribución de submonocapa molecular puede caracterizarse por STM (Fig. 3b). Al reducir el rango, moléculas individuales aisladas, 3 nm de diámetro y 0,4 nm de altura, similares a huevos escalfados, pueden observarse estable y repetidamente (Fig. 3c, d). Esto puede atribuirse a la débil interacción molecular-sustrato.

En las mismas condiciones, las moléculas de R6G se depositaron en sustratos de vidrio y PMMA/vidrio, respectivamente. Sin embargo, la temperatura ambiente es mucho más alta que la temperatura en la cavidad de operación de STM. Así, la disminución de la interacción molecular-sustrato y la aceleración de la movilidad molecular hacen que las moléculas de R6G en la superficie de vidrio formen agregados moleculares. Pero su cobertura sigue siendo menor que una sola capa (Fig. 4a), lo que también puede verificarse en película PMMA (Fig. 4b). Comparando los recuadros de Fig. 4a y b, se encuentra que el tamaño de los agregados moleculares en la película PMMA es mayor a temperatura ambiente en aire, mientras que la cantidad disminuye. Este resultado puede explicarse por el hecho de que la tasa de migración y capacidad de adsorción de moléculas de R6G en diferentes superficies de sustrato son diferentes.

La Figura 4c muestra la imagen AFM de moléculas de R6G en PMMA/Au NPs/vidrio. Debido a la gran diferencia de tamaño entre agregados moleculares de R6G y nanopartículas de oro, es difícil observar ambas NPs de oro y agregados moleculares al mismo tiempo. Pero los agregados moleculares pueden observarse en la línea de perfil (recadro de Fig. 4c) comparado con el de PMMA/vidrio.

Los espectros fluorescentes de R6G/PMMA/Au NPs/vidrio con diferentes espesores de capas PMMA, R6G/Au NPs/vidrio y R6G/vidrio se trazan en Fig. 4d. La intensidad lumínica de R6G/(PMMA)/Au NPs/vidrio se encuentra mejorada comparada con la de R6G/vidrio. Del factor de mejora lumínica de Tabla 1, se ve que R6G/Au NPs/vidrio tiene la mayor mejora con un factor de aproximadamente 3,78. Y su intensidad disminuye con el aumento del espesor de la película PMMA.

Considerando los picos de absorción de Au NPs recubiertas con diferentes espesores de PMMA (530-580 nm) y el pico de emisión de moléculas de R6G (562 nm), el mecanismo de mejora de fluorescencia está relacionado con el grado de superposición espectral y la distancia de separación entre moléculas y nanopartículas. Tanto PMMA como CTAB en la superficie de la esfera de oro como capas de separación juegan papeles clave en la reducción de la transferencia de energía no radiativa entre moléculas de R6G y Au NPs. Dado que la resonancia plasmónica es un fuerte efecto de campo cercano local, el engrosamiento de la capa de intervalo hace que R6G se aleje gradualmente del rango de campo local fuerte. Esto conduce al debilitamiento del efecto de mejora con el aumento del espesor de PMMA. Por otro lado, el desplazamiento del pico de resonancia plasmónica también contribuye a la intensidad de emisión. El ancho de línea espectral de absorción de las cuatro muestras es muy ancho. Todas cubren el pico de emisión de R6G. Aunque hay la mejor coincidencia entre el pico de resonancia plasmónica de nanoesferas de Au y el pico de emisión de R6G cuando el espesor de separación es de aproximadamente 9 nm, la mejora de emisión de R6G no es más fuerte que la sin capa PMMA debido a la disminución del efecto de mejora de campo cercano de nanoesferas de Au a gran distancia de separación. Por tanto, la distancia de separación entre nanoesferas de Au y moléculas de R6G juega un papel clave en la mejora de emisión de moléculas de R6G.

Además del cambio de intensidad, las vidas de fluorescencia de moléculas de R6G también se detectan, como se muestra en Fig. 4e. Una función tri-exponencial puede ajustar bien el proceso de desintegración de moléculas de R6G excitadas, que se muestran en Tabla 1. Como muestra el diagrama, cuando la molécula de R6G se evapora directamente sobre las nanopartículas de oro, la vida de fluorescencia es la más corta debido al efecto de amortiguamiento del metal. Con el engrosamiento de la capa espaciadora, el efecto de amortiguamiento disminuye, y el efecto de mejora plasmónica también se debilita, llevando al aumento de la vida. Sin embargo, los resultados de prueba muestran que la vida de fluorescencia no se prolonga con el aumento del espesor de PMMA, sino que se acorta. Aunque, siguen siendo más largas que la vida molecular directamente sobre las nanopartículas de oro. Para encontrar la razón, probamos la vida de fluorescencia de moléculas de R6G en sustrato PMMA/vidrio (Fig. 4f y Tabla 2). También se encuentra que PMMA puede afectar la vida de las moléculas, que disminuye con el aumento del espesor. Esto es consistente con los fenómenos de PMMA/Au NPs/vidrio. Por tanto, la vida de las moléculas en Fig. 4f se extiende y luego se acorta, lo que resulta de la existencia de película PMMA. Cuando las moléculas de R6G están cerca de Au NPs, la vida muestra un efecto de amortiguamiento obvio. A medida que aumenta el espesor de la película PMMA, se observan el efecto barrera y el efecto de atenuación de la película PMMA.

Para explicar la intensidad de fluorescencia dependiente de la distancia observada de moléculas de R6G, las distribuciones de campo cercano de Au NPs con diferentes espesores de espaciador se simularon con el método FDTD. Como se muestra en Fig. 5a–d, se observan fuertes mejoras de campo eléctrico (|E/E₀|²) alrededor de las superficies de nanoestructuras PMMA/CTAB/Au NPs. En Fig. 5e, los factores de mejora de los espectros de fluorescencia experimentales y el campo eléctrico simulado con el aumento del espesor del espaciador muestran buen acuerdo. El factor de mejora de campo cercano simulado es mucho mayor que el obtenido en el experimento. Esta razón puede atribuirse principalmente a los modelos ideales de simulaciones teóricas y al efecto de amortiguamiento de fluorescencia de Au NPs.

Conclusiones

En resumen, evaporamos moléculas de R6G en submonocapa sobre NPs de oro con espesor de espaciador PMMA controlado (1,5-21 nm). Se estudiaron los espectros PL y curvas de desintegración. La intensidad de fluorescencia molecular se mejora por la mejora de excitación resonante y muestra un declive a medida que aumenta el espesor de la película PMMA. El factor de mejora experimental está muy por debajo del teórico obtenido por simulación FDTD principalmente debido al efecto de amortiguamiento inducido por transferencia de carga y transferencia de energía no radiativa entre moléculas excitadas y Au NPs. Además, es interesante notar que las películas PMMA con diferentes espesores contienen tanto efectos barrera como de atenuación de vida media, lo que se confirma por mediciones de vida de fluorescencia. Este estudio puede allanar el camino para aplicaciones prácticas de fluorescencia mejorada por metal en imágenes ópticas, biotecnología y campos de detección de materiales.