Fluorescência de submonocamada de rodamina 6G aprimorada com plasma dependente da distância por nanopartículas de ouro

Resumo

Investigamos a fluorescência de moléculas de submonolayer rodamina 6G perto de nanopartículas de ouro (NPs) em um intervalo de poli (metacrilato de metila) (PMMA) bem controlado de 1,5 a 21 nm. Os picos de ressonância plasmônica de NPs de ouro são ajustados de 530 a 580 nm pelo espaçador de PMMA de diferentes espessuras. Então, devido ao aumento da excitação ressonante plasmônica, a intensidade de emissão das moléculas de rodamina 6G em 562 nm é aumentada e mostra um declínio conforme a espessura do espaçador de PMMA aumenta. A variação da intensidade espectral simulada pelo método de diferença finita no domínio do tempo é consistente com os resultados experimentais. Além disso, os resultados do tempo de vida mostram os efeitos combinados para a fluorescência da rodamina 6G, que incluem o efeito de extinção, o efeito de barreira do PMMA como camada espaçadora e o efeito de atenuação dos filmes de PMMA.

Introdução

A extinção de fluorescência [1,2,3,4] e o realce [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 enfocam as propriedades de emissão de fluoróforos no campo próximo de nanopartículas metálicas [8, 9]. Esses estudos indicam que a supressão resulta da oscilação do dipolo da molécula amortecida ou hibridização orbital pela interação da interface [10,11,12,13,14], enquanto a amplificação é devida ao campo incidente altamente intensificado pela ressonância plasmônica de superfície local [14, 15,16].

A rodamina 6G (R6G) é amplamente utilizada como marcador fluorescente e corante a laser por sua estabilidade, alta eficiência quântica de fluorescência e baixo custo. A maioria das pesquisas sobre moléculas R6G tem se concentrado principalmente em suas soluções [17,18,19,20], enquanto as moléculas R6G em estado sólido têm sido menos estudadas [21, 22]. Enquanto isso, embora pesquisas extensas tenham sido realizadas na fluorescência assistida por plasmon, ainda é muito complicado entender completamente a interação entre a ressonância plasmônica de NPs metálicos 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 importância para compreender a natureza dos efeitos plasmônicos e para o desenvolvimento de dispositivos de medição baseados em fluorescência molecular [27,28,29,30,31], como diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) [32, 33] , sensores ópticos [34, 35] e dispositivos eletrônicos moleculares [36,37,38].

Em nosso trabalho anterior, o aumento de luminescência de upconversion de nanocristal único poderia ser obtido controlando o comprimento de onda de ressonância de plasmon de superfície e tamanhos de NPs [39]. A espessura da camada de separação de poli (metacrilato de metila) (PMMA) pode ser controlada com precisão para ajustar as propriedades de emissão de pontos quânticos únicos [40]. Foi demonstrado que as moléculas de tetrafenil porfirina (TPP) são dramaticamente afetadas pelo modo plasmônico localizado [41, 42].

Neste trabalho, os picos de ressonância plasmônica são ajustados bem sobrepostos ao pico de emissão molecular. Os espectros de fotoluminescência (PL) e os tempos de vida fluorescentes das moléculas de sub-monocamada R6G na superfície de NPs de ouro reforçam a evidência de uma dominância intensificada pelo plasmon sobre o decaimento não radiativo. Este estudo fornece uma oportunidade importante para avançar no entendimento de moléculas R6G de camada única ou de sub-monocamada no estado sólido.

Métodos

Fabricação de substrato

Para a obtenção do substrato de vidro limpo com cargas negativas em sua superfície, o substrato de vidro foi embebido em solução de piranha por 30 min e enxaguado com água deionizada. Em seguida, o substrato de vidro foi colocado em 3 ml de solução de nanopartículas de ouro de 140 nm (Au NPs) (Crystano ™) com PH de 3,0 por mais de 12 h. Após este tratamento, os Au NPs foram absorvidos firmemente no substrato com base na adsorção eletrostática. Após lavagem e secagem, a densidade de Au NPs em substrato de vidro foi caracterizada por microscópio de força atômica (AFM).

O filme de poli (metacrilato de metila) (PMMA) foi preparado por spin-coating a 3000 rpm por 60 s como espaçador entre as moléculas de Au NPs e rodamina 6G (R6G). Com o objetivo de controlar a espessura do espaçador, a solução de PMMA metilbenzeno com diferentes concentrações de 0,03% em peso, 0,1% em peso e 0,4% em peso foi revestida por rotação na superfície do vidro.

Preparação de moléculas de rodamina 6G de sub-camada inferior

As moléculas de sub-monocamada R6G foram sublimadas na superfície do substrato de ouro ou vidro em 10 ^–6 Vácuo mbar à temperatura ambiente por evaporação térmica. A taxa de evaporação e a cobertura molecular são controladas por tensão de aquecimento contínuo, corrente e tempo de deposição. O processo foi repetido várias vezes usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM), a fim de determinar uma condição de preparação adequada. A distribuição das moléculas de sub-monocamada R6G nos substratos foi caracterizada por STM e AFM.

Fotoluminescência

Os espectros de fotoluminescência (PL) e o tempo de vida da fluorescência foram obtidos em 10 ^–5 Vácuo mbar à temperatura ambiente. Os espectros de PL em estado estacionário foram medidos por um espectrômetro de dispositivo acoplado a carga resfriado com nitrogênio líquido (CCD) (Princeton Instruments), enquanto a contagem de fótons e as medições de vida foram concluídas com um tubo fotomultiplicador de placa de microcanal (Hamamatsu) combinado com um único fóton correlacionado com o tempo técnica de contagem (instrumentos de Edimburgo). Um laser semicondutor pulsado de picossegundo a 375 nm (Advance Laser System) foi usado para excitar as amostras.

Simulação

O método do domínio do tempo por diferenças finitas (FDTD) foi utilizado para realizar a simulação numérica com o software FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canada). Nanopartículas de Au com diâmetro de 140 nm e diferentes espessuras de espaçador de PMMA são colocadas em substratos de vidro. A constante dielétrica do ouro é obtida 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 o ar. Uma fonte de campo espalhado de campo total de onda plana variando de 400 a 700 nm é utilizada como a luz incidente. A distribuição do campo elétrico perto da nanopartícula de Au é avaliada usando os monitores de perfil de campo no domínio da frequência. Uma malha tridimensional não uniforme é usada e um tamanho de grade de 0,5 nm é escolhido para o interior e a vizinhança da nanopartícula de Au. Usamos condições de limite de absorção de camada perfeitamente correspondentes, bem como condições de limite simétricas para reduzir o requisito de memória e o tempo computacional. Os resultados numéricos passam no teste de convergência anterior.

Resultados e discussão

O tamanho e a forma de NPs de Au de 140 nm foram inicialmente caracterizados por um microscópio eletrônico de transmissão (TEM). Conforme mostrado na Fig. 1a, a maioria das partículas estão bem dispersas com um diâmetro médio de 140 ± 10 nm. As NPs de ouro revestidas com camadas de surfactante de brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) ultrafinas 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 CTAB [44].

a , b Imagens TEM de Au NPs com CTAB. c Espessura de distribuição CTAB

Imagens AFM típicas do Au NPs adsorvidos no substrato de vidro sem e com uma camada de PMMA são mostradas na Fig. 2a, b. Comparando as Fig. 2a e b, podemos descobrir que a densidade de Au NPs na mesma faixa é semelhante, mas o filme de PMMA revestido por rotação não pode ser distinguido pela imagem AFM. Portanto, um perfilômetro de ponta de bancada (Bruker) foi usado para avaliar a espessura dos 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 desvio para o vermelho do pico de ressonância de plasmão de superfície (SPR) pode ser encontrado com o aumento da espessura das camadas de PMMA. Isso pode ser devido ao aumento no índice de refração local em torno de Au NPs, que tem boa consistência com a literatura anterior [45].

Imagens típicas de AFM de Au NPs / vidro ( a ) e PMMA / Au NPs / vidro ( b ) Perfil de superfície de filmes de PMMA com concentrações de 0,03% em peso ( c ), 0,1% em peso ( d ) e 0,4% em peso ( e ) f Espectros de absorção UV-Vis dos NPs sem PMMA (preto) e com camada de separação de PMMA de 1,5 nm (vermelho), 6,5 nm (azul) e 21 nm (laranja)

As moléculas de sub-monocamada R6G foram alcançadas pelos seguintes passos. Em primeiro lugar, a superfície de Au (111) reconstruída após pulverização catódica e recozimento de 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 voltagem de 0,8 V e uma corrente de 0,6 A, as moléculas de R6G foram vaporizadas na superfície de Au (111) tratada e resfriadas a 80 K usando nitrogênio líquido. O estado de distribuição da submonocamada molecular pode ser caracterizado por STM (Fig. 3b). Ao estreitar o intervalo, moléculas isoladas isoladas, de 3 nm de diâmetro e 0,4 nm de altura, que são semelhantes aos ovos escalfados, podem ser observadas de forma estável e repetida (Fig. 3c, d). Isso pode ser atribuído à fraca interação molecular-substrato.

Imagem STM típica do Au limpo (111) ( a ), as moléculas R6G em Au (111) ( b ) e um único R6G molecular ( c ) d Perfil de linha em uma única molécula R6G

Na mesma condição, moléculas R6G foram depositadas nos substratos de vidro e PMMA / vidro, respectivamente. No entanto, a temperatura ambiente é muito mais alta do que a temperatura na cavidade de operação do STM. Assim, a diminuição da interação molecular-substrato e a aceleração da mobilidade molecular fazem moléculas R6G na superfície dos aglomerados moleculares de vidro. Mas sua cobertura ainda é menor do que uma única camada (Fig. 4a), o que também pode ser verificado no filme de PMMA (Fig. 4b). Comparando as inserções da Fig. 4a eb, podemos descobrir que o tamanho dos agrupamentos 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 a capacidade de adsorção das moléculas R6G em diferentes superfícies de substrato são diferentes.

Imagem AFM típica de moléculas R6G em vidro ( a ), PMMA / vidro ( b ), PMMA / Au NPs / vidro ( c ) Inserções:perfis de linha de agrupamentos moleculares R6G. d , e Espectros de fluorescência e dinâmica de decaimento PL de R6G / vidro, R6G / Au NPs / vidro e R6G / PMMA / Au NPs / vidro, respectivamente. f Dinâmica de decaimento PL de R6G / PMMA / vidro

A Figura 4c mostra a imagem AFM de moléculas R6G em PMMA / Au NPs / vidro. Devido à grande diferença de tamanho entre os clusters moleculares R6G e as nanopartículas de ouro, é difícil observar as nanopartículas de ouro e os clusters moleculares ao mesmo tempo. Mas os agrupamentos moleculares podem ser observados na linha de perfil (inserção da Fig. 4c) em comparação com PMMA / vidro.

Os 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 aumentada em comparação com a de R6G / vidro. A partir do fator de realce luminescente da Tabela 1, podemos ver que R6G / Au NPs / vidro tem o maior realce com um 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 revestidos com diferentes espessuras de PMMA (530-580 nm) e o pico de emissão de moléculas R6G (562 nm), o mecanismo de intensificação de fluorescência está relacionado à extensão de sobreposição espectral e à distância de separação entre moléculas e nanopartículas . Tanto o PMMA quanto o CTAB na superfície da esfera de ouro como as camadas de separação desempenham papéis importantes na redução da transferência de energia não radiativa entre as moléculas R6G e Au NPs. Uma vez que a ressonância de plasmon é um forte efeito de campo próximo local, o espessamento da camada de intervalo faz com que R6G gradualmente se afaste da faixa de campo local forte. Isso leva ao enfraquecimento do efeito de realce com o aumento da espessura do PMMA. Por outro lado, o deslocamento do pico ressonante do plasmon também contribui para a intensidade de emissão. A largura de linha espectral de absorção das quatro amostras é muito ampla. Todos eles cobrem o pico de emissão do R6G. Embora haja a melhor correspondência entre o pico ressonante de plasmon das nanoesferas de Au e o pico de emissão de R6G quando a espessura de separação é de cerca de 9 nm, o aumento da emissão de R6G não é mais forte do que sem a camada de PMMA devido à diminuição no campo próximo efeito de realce das nanoesferas de Au em grandes distâncias de separação. Portanto, a distância de separação entre as nanoesferas de Au e as moléculas R6G desempenha um papel fundamental no aumento da emissão das moléculas R6G.

Além da mudança de intensidade, os tempos de vida de fluorescência de moléculas R6G também são detectados, como mostrado na Fig. 4e. Uma função tri-exponencial pode se encaixar bem no processo de decaimento das moléculas R6G excitadas, que são mostradas na Tabela 1. Como mostra o diagrama, quando a molécula R6G é evaporada diretamente nas nanopartículas de ouro, o tempo de vida da fluorescência é o mais curto devido à extinção efeito do metal. Com o espessamento da camada espaçadora, o efeito de têmpera diminui, e o efeito de realce plasmônico também enfraquece, levando ao aumento da vida útil. No entanto, os resultados do teste mostram que o tempo de vida da fluorescência não é prolongado com o aumento da espessura do PMMA, mas diminui. No entanto, eles ainda são mais longos do que o tempo de vida molecular diretamente nas nanopartículas de ouro. Para descobrir o motivo, testamos o tempo de vida da fluorescência das moléculas R6G no substrato de PMMA / vidro (Fig. 4f e Tabela 2). Verificou-se também que o 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, em seguida, encurtado, o que resulta da existência do filme de PMMA. Quando as moléculas R6G estão perto de Au NPs, o tempo de vida mostra um efeito de extinção óbvio. Conforme a espessura do filme de PMMA aumenta, a barreira e os efeitos de atenuação do filme de PMMA são observados.

Para explicar a intensidade de fluorescência dependente da distância observada de moléculas 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 aprimoramentos de campo elétrico (| E / E ₀ | ² ) são observados em torno das superfícies de nanoestruturas PMMA / CTAB / Au NPs. Na Fig. 5e, os fatores de intensificação dos espectros de fluorescência experimental e o campo elétrico simulado com o aumento da espessura do espaçador apresentam uma boa concordância. O fator de aprimoramento de campo próximo simulado é muito maior do 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.

Aumento do campo elétrico (| E / E ₀ | ² ) imagens de distribuição para Au NPs cobertos com PMMA em λ =562 nm com a espessura do espaçador de 2,5 nm ( a ), 4 nm ( b ), 9 nm ( c ) e 21 nm ( d ), enquanto o círculo branco tracejada representa Au NP. e Os fatores de intensificação dos espectros de fluorescência experimental (azul) e do campo elétrico simulado (preto) dependem da espessura do espaçador de PMMA

Conclusão

Em resumo, evaporamos as moléculas de submonocamada R6G nas NPs de ouro com a espessura do espaçador PMMA controlada (1,5–21 nm). Os espectros PL e curvas de decaimento foram estudados. A intensidade da fluorescência molecular é aumentada pelo aumento da excitação ressonante e mostra um declínio conforme a espessura do filme de PMMA aumenta. O fator de realce 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 as moléculas excitadas e os NPs de Au. Além disso, é interessante notar que os filmes de PMMA com espessuras diferentes contêm efeitos de atenuação de barreira e de tempo de vida, o que é confirmado pelas medições de tempo de vida de fluorescência. Este estudo pode abrir caminho para as aplicações práticas de fluorescência aprimorada por metal em imagens ópticas, biotecnologia e campos de detecção de materiais.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e / ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

R6G:: Rodamina 6G
NPs:: Nanopartículas
Au NPs:: Nanopartícula de ouro
PMMA:: Poli (metacrilato de metila)
OLEDs:: Diodos emissores de luz orgânicos
TPP:: Tetrafenil porfirina
PL:: Fotoluminescência
AFM:: Microscópio de força atômica
STM:: Microscópio de tunelamento de varredura
CCD:: Dispositivo de carga acoplada
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
CTAB:: Brometo de cetiltrimetilamónio
SPR:: Ressonância de plasmon de superfície

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