Fluorescence amplifiée par plasmon de la Rhodamine 6G à distances contrôlées des nanoparticules d'or

Résumé

Nous étudions la fluorescence de molécules de rhodamine 6G en sous-monocouche près de nanoparticules d'or (NP) à une épaisseur d'intervalle de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) bien contrôlée de 1,5 à 21 nm. Les pics de résonance plasmonique des NP d'or sont accordés de 530 à 580 nm par l'espacement PMMA de différentes épaisseurs. Ensuite, en raison de l'amélioration de l'excitation résonnante plasmonique, l'intensité d'émission des molécules de rhodamine 6G à 562 nm est trouvée augmentée et montre un déclin à mesure que l'épaisseur de l'espacement PMMA augmente. La variation d'intensité spectrale simulée par la méthode de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) est cohérente avec les résultats expérimentaux. De plus, les résultats de durée de vie montrent les effets combinés sur la fluorescence de la rhodamine 6G, incluant l'effet de quenching, l'effet barrière du PMMA comme couche d'espacement et l'effet d'atténuation des films PMMA.

Introduction

Le quenching de fluorescence et l'amplification sont deux phénomènes contradictoires causés par l'interaction entre molécules optiques et métaux ou nanoparticules métalliques. Au cours des dernières décennies, de nombreux rapports se sont concentrés sur les propriétés d'émission des fluorophores dans le champ proche de nanoparticules métalliques. Ces études indiquent que la suppression résulte de l'oscillation dipolaire moléculaire amortie ou de l'hybridation orbitale par l'interaction d'interface, tandis que l'amplification est due au champ incident hautement amplifié par la résonance plasmonique de surface localisée.

La rhodamine 6G (R6G) est largement utilisée comme marqueur fluorescent et colorant laser pour sa stabilité, son rendement quantique de fluorescence élevé et son faible coût. La plupart des recherches sur les molécules de R6G se sont concentrées sur leurs solutions, tandis que les molécules de R6G à l'état solide ont été moins étudiées. Bien que des recherches approfondies aient été menées sur la fluorescence assistée par plasmon, il reste trop complexe de comprendre pleinement l'interaction entre la résonance plasmonique des NP métalliques et les propriétés optiques intrinsèques des molécules. En particulier, l'alignement du pic de résonance plasmonique avec le pic d'émission du fluorophore a été souligné par de nombreux groupes. Cela est d'une grande importance pour comprendre la nature des effets plasmoniques et pour le développement de dispositifs de mesure basés sur la fluorescence moléculaire, tels que les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les capteurs optiques et les dispositifs électroniques moléculaires.

Dans nos travaux précédents, l'amélioration de la luminescence de conversion ascendante de nanocristaux uniques a été obtenue en contrôlant la longueur d'onde de résonance plasmonique de surface et la taille des NP. L'épaisseur de la couche de séparation en poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) pouvait être contrôlée avec précision pour ajuster les propriétés d'émission de points quantiques uniques. Les molécules de tétraphénylporphyrine (TPP) ont été démontrées comme étant affectées de manière dramatique par le mode plasmonique localisé.

Dans ce travail, les pics de résonance plasmonique sont bien accordés et chevauchés avec le pic d'émission moléculaire. Les spectres de photoluminescence (PL) et les durées de vie fluorescentes des molécules de R6G en sous-monocouche sur la surface des NP d'or renforcent la preuve d'une dominance de l'amplification plasmonique sur la décroissance non radiative. Cette étude offre une opportunité importante pour faire progresser la compréhension des molécules de R6G uniques ou en sous-monocouche à l'état solide.

Méthodes

Fabrication du substrat

Pour obtenir un substrat de verre propre avec des charges négatives à sa surface, le substrat de verre a été trempé dans une solution piranha pendant 30 min et rincé à l'eau déionisée. Ensuite, le substrat de verre a été placé dans 3 mL de solution de nanoparticules d'or de 140 nm (Crystano™) avec un pH de 3,0 pendant plus de 12 h. Suite à ce traitement, les NP d'or ont été fermement adsorbées sur le substrat par adsorption électrostatique. Après lavage et séchage, la densité des NP d'or sur le substrat de verre a été caractérisée par microscopie à force atomique (AFM).

Un film de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) a été préparé par centrifugation à 3000 tr/min pendant 60 s comme espaceur entre les NP d'or et les molécules de rhodamine 6G (R6G). Dans le but de contrôler les épaisseurs de l'espaceur, une solution de PMMA dans le méthylbenzène avec différentes concentrations de 0,03 % en poids, 0,1 % en poids et 0,4 % en poids a été déposée par centrifugation sur la surface du verre.

Préparation des molécules de Rhodamine 6G en sous-monocouche

Les molécules de R6G en sous-monocouche ont été sublimées sur la surface d'or ou du substrat de verre dans un vide de 10⁻⁶ mbar à température ambiante par évaporation thermique. Le taux d'évaporation et la couverture moléculaire sont contrôlés par la tension de chauffage continue, le courant et le temps de dépôt. Le processus a été répété plusieurs fois en utilisant un microscope à effet tunnel (STM) pour déterminer une condition de préparation appropriée. La distribution des molécules de R6G en sous-monocouche sur les substrats a été caractérisée par STM et AFM.

Photoluminescence

Les spectres de photoluminescence (PL) et la durée de vie de fluorescence ont été obtenus dans un vide de 10⁻⁵ mbar à température ambiante. Les spectres PL à l'état stationnaire ont été mesurés par un spectromètre à dispositif à transfert de charge (CCD) refroidi à l'azote liquide (Princeton Instruments), tandis que le comptage de photons et les mesures de durée de vie ont été réalisés avec un tube photomultiplicateur à plaque microcanal (Hamamatsu) combiné à la technique de comptage de photons unique corrélé dans le temps (Edinburgh Instruments). Un laser à semi-conducteur pulsé picoseconde à 375 nm (Advance Laser System) a été utilisé pour exciter les échantillons.

Simulation

La méthode de différences finies dans le domaine temporel (FDTD) a été utilisée pour effectuer la simulation numérique avec le logiciel FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canada). Des nanoparticules d'or de 140 nm de diamètre et différentes épaisseurs d'espacement PMMA sont placées sur des substrats de verre. La constante diélectrique de l'or est prise de la référence [43], et les constantes diélectriques du CTAB et du PMMA sont prises comme 1,40 et 1,49 respectivement. L'indice de réfraction de la matrice environnante est fixé à 1,0 pour l'air. Une source d'onde plane champ total-champ diffusé allant de 400 à 700 nm est utilisée comme lumière incidente. La distribution du champ électrique près de la nanoparticule d'or est évaluée en utilisant des moniteurs de profil de champ en domaine fréquentiel. Un maillage tridimensionnel non uniforme est utilisé, et une taille de grille de 0,5 nm est choisie pour l'intérieur et les environs de la nanoparticule d'or. Nous utilisons des conditions aux limites d'absorption par couche parfaitement adaptée ainsi que des conditions aux limites symétriques pour réduire les besoins en mémoire et le temps de calcul. Les résultats numériques passent les tests de convergence préalables.

Résultats et Discussion

La taille et la forme des NP d'or de 140 nm ont d'abord été caractérisées par un microscope électronique à transmission (MET). Comme montré Figure 1a, la plupart des particules sont bien dispersées avec un diamètre moyen de 140 ± 10 nm. Les NP d'or revêtues de couches de surfactant cetyltriméthylammonium bromure (CTAB) ultraminces sont également identifiées Figure 1b. L'histogramme montre que les épaisseurs de coquille sont de 2,5 ± 1 nm (Figure 1c), correspondant à une monocouche ou bicouche de CTAB.

Des images AFM typiques des NP d'or adsorbées sur le substrat de verre sans et avec une couche de PMMA sont montrées Figures 2a, b. En comparant les Figures 2a et b, on trouve que la densité des NP d'or dans la même gamme est similaire, mais le film PMMA déposé par centrifugation ne peut pas être distingué par l'image AFM. Par conséquent, un profilomètre à stylet de paillasse (Bruker) a été utilisé pour évaluer l'épaisseur des films PMMA avec différentes concentrations. Figures 2c-e montrent trois échantillons avec concentrations de 0,03 % en poids (~ 1,5 nm), 0,1 % en poids (~ 6,5 nm) et 0,4 % en poids (~ 21 nm) respectivement. Figure 2f montre les spectres d'absorption de quatre substrats différents. Un décalage vers le rouge net du pic de résonance plasmonique de surface (SPR) peut être trouvé avec l'augmentation de l'épaisseur des couches PMMA. Cela pourrait être dû à l'augmentation de l'indice de réfraction local autour des NP d'or, ce qui est en bonne cohérence avec la littérature antérieure.

Les molécules de R6G en sous-monocouche ont été obtenues par les étapes suivantes. Premièrement, la surface Au (111) reconstruite après pulvérisation ionique et recuit à haute température, ce qui peut être confirmé par ses bandes régulières en « arête de hareng » (Figure 3a). Ensuite, après 60 s d'évaporation thermique à une tension de 0,8 V et un courant de 0,6 A, les molécules de R6G ont été déposées sur la surface Au (111) traitée et refroidies à 80 K à l'aide d'azote liquide. L'état de distribution de la sous-monocouche moléculaire peut être caractérisé par STM (Figure 3b). En réduisant la gamme, des molécules uniques isolées, de 3 nm de diamètre et 0,4 nm de hauteur, similaires à des œufs pochés, peuvent être observées de manière stable et répétée (Figures 3c, d). Cela peut être attribué à une faible interaction molécule-substrat.

Dans les mêmes conditions, les molécules de R6G ont été déposées sur les substrats verre et PMMA/verre respectivement. Cependant, la température ambiante est bien plus élevée que la température dans la cavité d'opération du STM. Ainsi, la diminution de l'interaction molécule-substrat et l'accélération de la mobilité moléculaire font que les molécules de R6G à la surface du verre forment des agrégats moléculaires. Mais leur couverture reste inférieure à une monocouche (Figure 4a), ce qui peut aussi être vérifié sur le film PMMA (Figure 4b). En comparant les encadrés des Figures 4a et b, on trouve que la taille des agrégats moléculaires sur le film PMMA est plus grande à température ambiante dans l'air, tandis que la quantité diminue. Ce résultat peut s'expliquer par le fait que le taux de migration et la capacité d'adsorption des molécules de R6G sur différentes surfaces de substrat sont différents.

La Figure 4c montre l'image AFM des molécules de R6G sur PMMA/NP d'or/verre. En raison de la grande différence de taille entre les agrégats moléculaires de R6G et les nanoparticules d'or, il est difficile d'observer à la fois les nanoparticules d'or et les agrégats moléculaires en même temps. Mais les agrégats moléculaires peuvent être observés dans la ligne de profil (encadré Figure 4c) comparé à celui sur PMMA/verre.

Les spectres de fluorescence de R6G/PMMA/NP d'or/verre avec différentes épaisseurs de couches PMMA, R6G/NP d'or/verre et R6G/verre sont tracés Figure 4d. L'intensité lumineuse de R6G/(PMMA)/NP d'or/verre est trouvée augmentée comparée à celle de R6G/verre. D'après le facteur d'amplification lumineuse du Tableau 1, on voit que R6G/NP d'or/verre a la plus grande amplification avec un facteur d'environ 3,78. Et son intensité diminue avec l'augmentation de l'épaisseur du film PMMA.

En considérant les pics d'absorption des NP d'or revêtues de différentes épaisseurs de PMMA (530-580 nm) et le pic d'émission des molécules de R6G (562 nm), le mécanisme d'amplification de fluorescence est lié à l'étendue du chevauchement spectral et à la distance de séparation entre molécules et nanoparticules. Le PMMA et le CTAB à la surface de la sphère d'or comme couches de séparation jouent des rôles clés dans la réduction du transfert d'énergie non radiatif entre les molécules de R6G et les NP d'or. Puisque la résonance plasmonique est un fort effet de champ proche local, l'épaississement de la couche d'intervalle fait que la R6G s'éloigne progressivement de la gamme de champ local fort. Cela entraîne l'affaiblissement de l'effet d'amplification avec l'augmentation de l'épaisseur PMMA. D'autre part, le décalage du pic de résonance plasmonique contribue aussi à l'intensité d'émission. La largeur de raie spectrale d'absorption des quatre échantillons est très large. Tous couvrent le pic d'émission de la R6G. Bien qu'il y ait la meilleure correspondance entre le pic de résonance plasmonique des nanosphères d'or et le pic d'émission de la R6G lorsque l'épaisseur de séparation est d'environ 9 nm, l'amplification d'émission de la R6G n'est pas plus forte que celle sans couche PMMA en raison de la diminution de l'effet d'amplification de champ proche des nanosphères d'or à grande distance de séparation. Donc, la distance de séparation entre les nanosphères d'or et les molécules de R6G joue un rôle clé dans l'amplification d'émission des molécules de R6G.

En plus du changement d'intensité, les durées de vie de fluorescence des molécules de R6G sont aussi détectées, comme montré Figure 4e. Une fonction tri-exponentielle peut bien ajuster le processus de décroissance des molécules de R6G excitées, comme montré Tableau 1. Comme le diagramme le montre, lorsque la molécule de R6G est évaporée directement sur les nanoparticules d'or, la durée de vie de fluorescence est la plus courte en raison de l'effet de quenching du métal. Avec l'épaississement de la couche d'espacement, l'effet de quenching diminue, et l'effet d'amplification plasmonique s'affaiblit aussi, conduisant à l'augmentation de la durée de vie. Cependant, les résultats de test montrent que la durée de vie de fluorescence n'est pas prolongée avec l'augmentation de l'épaisseur PMMA, mais se raccourcit. Bien qu'elles soient encore plus longues que la durée de vie moléculaire directement sur les nanoparticules d'or. Pour trouver la raison, nous avons testé la durée de vie de fluorescence des molécules de R6G sur le substrat PMMA/verre (Figure 4f et Tableau 2). Il est aussi trouvé que le PMMA peut affecter la durée de vie des molécules, qui diminue avec l'augmentation de l'épaisseur. Cela est cohérent avec les phénomènes de PMMA/NP d'or/verre. Par conséquent, la durée de vie des molécules dans Figure 4f est étendue puis raccourcie, ce qui résulte de l'existence du film PMMA. Lorsque les molécules de R6G sont proches des NP d'or, la durée de vie montre un effet de quenching évident. À mesure que l'épaisseur du film PMMA augmente, les effets barrière et d'atténuation du film PMMA sont observés.

Pour expliquer l'intensité de fluorescence dépendante de la distance observée des molécules de R6G, les distributions de champ proche des NP d'or avec différentes épaisseurs d'espacement ont été simulées par la méthode FDTD. Comme montré Figures 5a-d, de fortes amplifications de champ électrique (|E/E₀|²) sont observées autour des surfaces des nanostructures PMMA/CTAB/NP d'or. En Figure 5e, les facteurs d'amplification des spectres de fluorescence expérimentaux et du champ électrique simulé avec l'augmentation de l'épaisseur d'espacement affichent un bon accord. Le facteur d'amplification de champ proche simulé est bien plus grand que celui obtenu dans l'expérience. Cette raison peut être principalement attribuée aux modèles idéaux des simulations théoriques et à l'effet de quenching de fluorescence des NP d'or.

Conclusion

En résumé, nous avons évaporé des molécules de R6G en sous-monocouche sur les NP d'or avec une épaisseur d'espacement PMMA contrôlée (1,5-21 nm). Les spectres PL et les courbes de décroissance ont été étudiés. L'intensité de fluorescence moléculaire est amplifiée par l'amélioration de l'excitation résonnante et montre un déclin à mesure que l'épaisseur du film PMMA augmente. Le facteur d'amplification expérimental est bien en dessous du théorique obtenu par simulation FDTD, principalement en raison de l'effet de quenching induit par le transfert de charge et le transfert d'énergie non radiatif entre les molécules excitées et les NP d'or. De plus, il est intéressant de noter que les films PMMA avec différentes épaisseurs contiennent à la fois des effets barrière et d'atténuation de durée de vie, ce qui est confirmé par les mesures de durée de vie de fluorescence. Cette étude peut ouvrir la voie à des applications pratiques de fluorescence amplifiée par métal dans l'imagerie optique, la biotechnologie et la détection de matériaux.