Fluorescência Aumentada por Plasmônio de Rodamina 6G a Distâncias Controladas de Nanopartículas de Ouro

Resumo

Investigamos a fluorescência de moléculas de rodamina 6G em submonocamada próximas a nanopartículas de ouro (NPs) a uma espessura de intervalo de poli(metil metacrilato) (PMMA) bem controlada de 1,5 a 21 nm. Os picos de ressonância plasmônica de NPs de ouro são sintonizados de 530 a 580 nm pelo espaçador PMMA de diferentes espessuras. Então, devido ao aumento de excitação ressonante plasmônica, a intensidade de emissão de moléculas de rodamina 6G a 562 nm é aumentada e mostra declínio à medida que a espessura do espaçador PMMA aumenta. A variação de intensidade espectral simulada pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo é consistente com os resultados experimentais. Além disso, os resultados de tempo de vida mostram os efeitos combinados na fluorescência de rodamina 6G, que incluem o efeito de extinção, o efeito de barreira do PMMA como camada espaçadora e o efeito de atenuação de filmes de PMMA.

Introdução

Extinção de fluorescência [1,2,3,4] e aumento [5,6,7] são dois fenômenos contraditórios causados pela interação entre moléculas ópticas e metais ou nanopartículas metálicas. Nas últimas décadas, uma quantidade considerável de relatórios publicados foca nas propriedades de emissão de fluoróforos no campo próximo de nanopartículas metálicas [8, 9]. Estes estudos indicam que a supressão resulta de oscilação de dipolo molecular amortecida ou hibridização orbital pela interação de interface [10,11,12,13,14], enquanto a amplificação é devida ao campo incidente altamente aumentado pela ressonância de plasmônio de superfície localizada [14,15,16].

Rodamina 6G (R6G) é amplamente usada como marcador fluorescente e corante laser por sua estabilidade, alta eficiência quântica de fluorescência e baixo custo. A maioria das pesquisas sobre moléculas de R6G focou principalmente em suas soluções [17,18,19,20], enquanto moléculas de R6G em estado sólido foram menos estudadas [21, 22]. Enquanto isso, embora pesquisas extensas tenham sido realizadas sobre fluorescência assistida por plasmônio, ainda é muito complicado entender completamente a interação entre a ressonância plasmônica de NPs metálicas e as propriedades ópticas intrínsecas das moléculas. Em particular, a correspondência da posição do pico de ressonância plasmônica com o pico de emissão do fluoróforo tem sido enfatizada por muitos grupos [23,24,25,26]. Isso é de grande significado para entender a natureza dos efeitos plasmônicos e para o desenvolvimento de dispositivos de medição baseados em fluorescência molecular [27,28,29,30,31], como diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) [32, 33], sensores ópticos [34, 35] e dispositivos eletrônicos moleculares [36,37,38].

Em nosso trabalho anterior, o aumento de luminescência de upconversão de nanocristal único poderia ser obtido controlando o comprimento de onda de ressonância de plasmônio de superfície e tamanhos de NPs [39]. A espessura da camada separadora de poli(metil metacrilato) (PMMA) poderia ser controlada precisamente para sintonizar as propriedades de emissão de pontos quânticos únicos [40]. Moléculas de tetrafenil porfirina (TPP) demonstraram ser afetadas dramaticamente pelo modo plasmônico localizado [41, 42].

Neste trabalho, os picos de ressonância plasmônica são sintonizados bem sobrepostos com o pico de emissão molecular. Os espectros de fotoluminescência (PL) e tempos de vida fluorescentes de moléculas de R6G em submonocamada na superfície de NPs de ouro fortalecem a evidência de domínio de aumento plasmônico sobre decaimento não radiativo. Este estudo fornece uma oportunidade importante para avançar o entendimento de moléculas de R6G únicas ou em submonocamada em estado sólido.

Métodos

Fabricação do Substrato

Para obter substrato de vidro limpo com cargas negativas em sua superfície, o substrato de vidro foi imerso em solução piranha por 30 min e enxaguado com água desionizada. Então, o substrato de vidro foi colocado em 3 mL de solução de nanopartículas de ouro de 140 nm (Au NPs) (Crystano™) com pH 3,0 por mais de 12 h. Após este tratamento, as Au NPs foram adsorvidas firmemente no substrato baseado em adsorção eletrostática. Após lavagem e secagem, a densidade de Au NPs no substrato de vidro foi caracterizada por microscópio de força atômica (AFM).

Filme de poli(metil metacrilato) (PMMA) foi preparado por spin-coating a 3000 rpm por 60 s como espaçador entre Au NPs e moléculas de rodamina 6G (R6G). Para controlar as espessuras do espaçador, solução de PMMA em metilbenzeno com diferentes concentrações de 0,03% em peso, 0,1% em peso e 0,4% em peso foi depositada por spin-coating na superfície do vidro.

Preparação de Moléculas de Rodamina 6G em Submonocamada

Moléculas de R6G em submonocamada foram sublimadas na superfície de substrato de ouro ou vidro em vácuo de 10^–6 mbar à temperatura ambiente por evaporação térmica. A taxa de evaporação e a cobertura molecular são controladas por tensão de aquecimento contínua, corrente e tempo de deposição. O processo foi repetido várias vezes usando microscópio de tunelamento de varredura (STM) para determinar uma condição de preparação apropriada. A distribuição de moléculas de R6G em submonocamada nos substratos foi caracterizada por STM e AFM.

Fotoluminescência

Os espectros de fotoluminescência (PL) e tempo de vida de fluorescência foram obtidos em vácuo de 10^–5 mbar à temperatura ambiente. Espectros de PL em estado estacionário foram medidos por espectrômetro CCD (dispositivo de carga acoplada) resfriado a nitrogênio líquido (Princeton Instruments), enquanto contagem de fótons e medições de tempo de vida foram completadas com tubo fotomultiplicador de placa de microcanais (Hamamatsu) combinado com técnica de contagem de fótons única correlacionada no tempo (Edinburgh Instruments). Um laser semicondutor pulsado de picossegundo a 375 nm (Advance Laser System) foi usado para excitar as amostras.

Simulação

O método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) foi usado para realizar simulação numérica com o software FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canadá). NPs de Au com diâmetro de 140 nm e diferentes espessuras de espaçador PMMA são colocadas em substratos de vidro. A constante dielétrica do ouro é tomada da Ref. [43], e as constantes dielétricas de CTAB e PMMA são tomadas como 1,40 e 1,49, respectivamente. O índice de refração da matriz circundante é definido como 1,0 para ar. Uma fonte de campo total-espalhado de onda plana variando de 400 a 700 nm é utilizada como luz incidente. A distribuição de campo elétrico próximo à NP de Au é avaliada usando monitores de perfil de campo no domínio da frequência. Uma malha tridimensional não uniforme é usada, e tamanho de grade de 0,5 nm é escolhido para o interior e vizinhança da NP de Au. Usamos condições de contorno de absorção de camada perfeitamente combinada e condições de contorno simétricas para reduzir requisito de memória e tempo computacional. Os resultados numéricos passam em testes de convergência prévios.

Resultados e Discussão

O tamanho e forma de Au NPs de 140 nm foram primeiramente caracterizados por microscópio eletrônico de transmissão (TEM). Conforme mostrado na Fig. 1a, a maioria das partículas está bem dispersa com diâmetro médio de 140 ± 10 nm. As NPs de ouro revestidas com camadas ultrafinas de surfactante cetiltrimetilamônio brometo (CTAB) também são identificadas na Fig. 1b. O histograma mostra que as espessuras da casca são 2,5 ± 1 nm (Fig. 1c), correspondendo a monocamada ou bicamada de CTAB [44].

Imagens típicas de AFM das Au NPs adsorvidas no substrato de vidro sem e com uma camada de PMMA são mostradas na Fig. 2a, b. Comparando Fig. 2a e b, podemos encontrar que a densidade de Au NPs na mesma faixa é similar, mas o filme de PMMA depositado por spin-coating não pode ser distinguido pela imagem de AFM. Portanto, um perfilômetro de estilete de bancada (Bruker) foi usado para avaliar a espessura de filmes de PMMA com diferentes concentrações. A Figura 2c-e mostra três amostras com concentrações de 0,03% em peso (~ 1,5 nm), 0,1% em peso (~ 6,5 nm) e 0,4% em peso (~ 21 nm), respectivamente. A Figura 2f mostra os espectros de absorção de quatro substratos diferentes. Um claro deslocamento para o vermelho do pico de ressonância de plasmônio de superfície (SPR) pode ser encontrado com o aumento da espessura das camadas de PMMA. Isso pode ser devido ao aumento do índice de refração local ao redor das Au NPs, que tem boa consistência com a literatura anterior [45].

Moléculas de R6G em submonocamada foram alcançadas pelos seguintes passos. Primeiro, a superfície Au (111) reconstruída após sputtering de íons e recozimento em alta temperatura, o que pode ser confirmado por suas listras regulares em "espinha de peixe" (Fig. 3a). Então, após 60 s de evaporação térmica a uma tensão de 0,8 V e corrente de 0,6 A, moléculas de R6G foram depositadas na superfície Au (111) tratada e resfriadas a 80 K usando nitrogênio líquido. O estado de distribuição de submonocamada molecular pode ser caracterizado por STM (Fig. 3b). Ao estreitar a faixa, moléculas únicas isoladas, 3 nm de diâmetro e 0,4 nm de altura, similares a ovos escalfados, podem ser observadas de forma estável e repetida (Fig. 3c, d). Isso pode ser atribuído à fraca interação molecular-substrato.

Nas mesmas condições, moléculas de R6G foram depositadas nos substratos de vidro e PMMA/vidro, respectivamente. No entanto, a temperatura ambiente é muito mais alta que a temperatura na cavidade de operação do STM. Então, a diminuição da interação molecular-substrato e a aceleração da mobilidade molecular fazem com que moléculas de R6G na superfície do vidro formem aglomerados moleculares. Mas sua cobertura ainda é menor que uma única camada (Fig. 4a), o que também pode ser verificado em filme de PMMA (Fig. 4b). Comparando os insets da Fig. 4a e b, podemos encontrar que o tamanho dos aglomerados moleculares no filme de PMMA é maior à temperatura ambiente no ar, enquanto a quantidade diminui. Este resultado pode ser explicado pelo fato de que a taxa de migração e capacidade de adsorção de moléculas de R6G em diferentes superfícies de substrato são diferentes.

A Figura 4c mostra a imagem de AFM de moléculas de R6G em PMMA/Au NPs/vidro. Devido à grande diferença de tamanho entre aglomerados moleculares de R6G e nanopartículas de ouro, é difícil observar ambas as nanopartículas de ouro e aglomerados moleculares ao mesmo tempo. Mas os aglomerados moleculares podem ser observados no perfil de linha (inset da Fig. 4c) comparado com aquele em PMMA/vidro.

Espectros fluorescentes de R6G/PMMA/Au NPs/vidro com diferentes espessuras de camadas de PMMA, R6G/Au NPs/vidro e R6G/vidro são plotados na Fig. 4d. A intensidade luminescente de R6G/(PMMA)/Au NPs/vidro é encontrada aumentada comparada com a de R6G/vidro. Do fator de aumento luminescente da Tabela 1, podemos ver que R6G/Au NPs/vidro tem o maior aumento com fator de cerca de 3,78. E sua intensidade diminui com o aumento da espessura do filme de PMMA.

Considerando os picos de absorção de Au NPs revestidas com diferentes espessuras de PMMA (530–580 nm) e o pico de emissão de moléculas de R6G (562 nm), o mecanismo de aumento de fluorescência está relacionado à extensão de sobreposição espectral e distância de separação entre moléculas e nanopartículas. Tanto PMMA quanto CTAB na superfície da esfera de ouro como camadas de separação desempenham papéis-chave na redução da transferência de energia não radiativa entre moléculas de R6G e Au NPs. Como a ressonância plasmônica é um forte efeito de campo próximo local, o espessamento da camada de intervalo faz com que R6G se afaste gradualmente do alcance do forte campo local. Isso leva ao enfraquecimento do efeito de aumento com o aumento da espessura de PMMA. Por outro lado, o deslocamento do pico de ressonância plasmônica também contribui para a intensidade de emissão. A largura de linha espectral de absorção das quatro amostras é muito ampla. Todas cobrem o pico de emissão de R6G. Embora haja a melhor correspondência entre o pico de ressonância plasmônica de nanoesferas de Au e o pico de emissão de R6G quando a espessura de separação é cerca de 9 nm, o aumento de emissão de R6G não é mais forte que aquele sem camada de PMMA devido à diminuição do efeito de aumento de campo próximo de nanoesferas de Au em grande distância de separação. Portanto, a distância de separação entre nanoesferas de Au e moléculas de R6G desempenha papel-chave no aumento de emissão de moléculas de R6G.

Além da mudança de intensidade, os tempos de vida de fluorescência de moléculas de R6G também são detectados, conforme mostrado na Fig. 4e. Uma função tri-exponencial pode ajustar bem o processo de decaimento de moléculas de R6G excitadas, que são mostradas na Tabela 1. Conforme o diagrama mostra, quando a molécula de R6G é evaporada diretamente sobre as nanopartículas de ouro, o tempo de vida de fluorescência é o mais curto devido ao efeito de extinção do metal. Com o espessamento da camada espaçadora, o efeito de extinção diminui, e o efeito de aumento plasmônico também enfraquece, levando ao aumento do tempo de vida. No entanto, os resultados de teste mostram que o tempo de vida de fluorescência não é prolongado com o aumento da espessura de PMMA, mas encurtado. Embora ainda sejam mais longos que o tempo de vida molecular diretamente nas nanopartículas de ouro. Para descobrir a razão, testamos o tempo de vida de fluorescência das moléculas de R6G no substrato PMMA/vidro (Fig. 4f e Tabela 2). Também foi encontrado que PMMA pode afetar o tempo de vida das moléculas, que diminui com o aumento da espessura. Isso é consistente com os fenômenos de PMMA/Au NPs/vidro. Portanto, o tempo de vida das moléculas na Fig. 4f é estendido e então encurtado, o que resulta da existência do filme de PMMA. Quando moléculas de R6G estão próximas a Au NPs, o tempo de vida mostra um efeito de extinção óbvio. À medida que a espessura do filme de PMMA aumenta, os efeitos de barreira e atenuação do filme de PMMA são observados.

Para explicar a intensidade de fluorescência dependente da distância de moléculas de R6G, as distribuições de campo próximo de Au NPs com diferentes espessuras de espaçador foram simuladas com o método FDTD. Conforme mostrado na Fig. 5a-d, fortes aumentos de campo elétrico (|E/E₀|²) são observados ao redor das superfícies de nanoestruturas PMMA/CTAB/Au NPs. Na Fig. 5e, os fatores de aumento dos espectros de fluorescência experimentais e do campo elétrico simulado com o aumento da espessura do espaçador mostram boa concordância. O fator de aumento de campo próximo simulado é muito maior que o obtido no experimento. Esta razão pode ser atribuída principalmente aos modelos ideais de simulações teóricas e ao efeito de extinção de fluorescência de Au NPs.

Conclusão

Em resumo, evaporamos moléculas de R6G em submonocamada nas NPs de ouro com espessura controlada de espaçador PMMA (1,5–21 nm). Os espectros de PL e curvas de decaimento foram estudados. A intensidade de fluorescência molecular é aumentada pelo aumento de excitação ressonante e mostra declínio à medida que a espessura do filme de PMMA aumenta. O fator de aumento experimental está muito abaixo do teórico obtido por simulação FDTD principalmente devido ao efeito de extinção induzido pela transferência de carga e transferência de energia não radiativa entre moléculas excitadas e Au NPs. Além disso, é interessante notar que filmes de PMMA com diferentes espessuras contêm tanto efeitos de barreira quanto de atenuação de tempo de vida, o que é confirmado pelas medições de tempo de vida de fluorescência. Este estudo pode abrir caminho para aplicações práticas de fluorescência aumentada por metal em imagem óptica, biotecnologia e campos de detecção de materiais.