La fluorescence NIR a montré un grand potentiel en biosciences, mais le faible rendement quantique a largement entravé la recherche sur la plupart des fluorophores NIR. Ici, des scientifiques chinois utilisent des nano-antennes plasmoniques asymétriques pour améliorer considérablement l'intensité de fluorescence d'une molécule unique d'un colorant NIR. L'asymétrie fournit un paramètre de réglage supplémentaire qui offre de nouvelles possibilités pour moduler les propriétés en champ proche et en champ lointain des modes plasmoniques, améliorant ainsi la fluorescence sans compromettre la photostabilité de la molécule. Ce travail fournit un schéma universel pour l'ingénierie de la fluorescence à molécule unique NIR.

La détection par fluorescence à molécule unique (SMFD) est capable de sonder, une molécule à la fois, des processus dynamiques cruciaux pour comprendre les mécanismes fonctionnels des biosystèmes. La fluorescence dans le proche infrarouge (NIR) offre un rapport signal sur bruit (SNR) amélioré en réduisant la diffusion, absorption et autofluorescence à partir d'échantillons biologiques cellulaires ou tissulaires, et donc, fournit une résolution d'imagerie élevée avec des profondeurs de pénétration tissulaires accrues qui sont importantes pour les applications biomédicales. Cependant, la plupart des émetteurs NIR souffrent d'un faible rendement quantique et le faible signal de fluorescence NIR rend la détection extrêmement difficile.

Les nanostructures plasmoniques sont capables de convertir l'énergie électromagnétique localisée en rayonnement libre et vice versa. Cette capacité en fait des nano-antennes efficaces pour moduler la fluorescence moléculaire. La nano-antenne plasmonique améliore généralement la fluorescence d'une molécule voisine en augmentant le taux d'excitation et le rendement quantique de la molécule. Afin d'améliorer de manière optimale la fluorescence, le mode plasmonique de la nano-antenne doit 1) se coupler fortement à la molécule et 2) rayonner fortement vers l'espace libre. La satisfaction simultanée des deux exigences pose un défi impossible à surmonter en conventionnel, nanostructures plasmoniques symétriques.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , des scientifiques du State Key Laboratory of Surface Physics, Département de physique de l'Université de Fudan, Chine, établit un roman, approche universelle pour améliorer la fluorescence d'une molécule unique dans le régime NIR sans compromettre la photostabilité de la molécule.

Ils construisent des nano-antennes asymétriques constituées de deux barres de longueurs inégales (Fig. 1) qui fournissent de multiples modes plasmoniques avec des fréquences de résonance accordables correspondant à la fois aux fréquences d'excitation et d'émission du fluorophore. Le paramètre de réglage ajouté, c'est à dire., le rapport des longueurs de barre, dans de telles structures asymétriques offre de nouvelles possibilités pour moduler les propriétés en champ proche et en champ lointain des modes plasmoniques, améliorant ainsi encore les processus d'excitation et d'émission. Par conséquent, ils acquièrent expérimentalement un facteur d'amélioration de la fluorescence d'une molécule unique jusqu'à 405 (Fig. 2), et les calculs théoriques correspondants indiquent que le rendement quantique peut atteindre 80 %. Parce que le rendement quantique joue un rôle majeur dans cette configuration, cette amélioration est obtenue sans sacrifier le temps de survie des molécules sous irradiation laser.

En outre, par rapport à des groupes de référence de molécules situés sur substrat de verre, les auteurs ont observé un temps de photoblanchiment significativement augmenté dans des molécules situées autour de nano-antennes asymétriques à double barre (Fig. 3), indiquant un nombre beaucoup plus élevé de photons de fluorescence émis par ces molécules. Les nano-antennes sont, donc, capable de supprimer drastiquement le photoblanchiment. Parce que l'amélioration du champ local n'améliore pas la photostabilité, la suppression provient principalement de l'augmentation du rendement quantique résultant de la compétition entre le taux de photoblanchiment et le taux de transfert d'énergie vers l'antenne.