Les chimistes du riz amplifient la lumière à partir de petites concentrations de molécules sur une surface en maximisant le chevauchement spectral entre l'émission et la résonance plasmonique des nanoparticules adjacentes. Les molécules incandescentes peuvent être clairement vues à l'œil nu lorsqu'elles sont excitées. Crédit :Jeff Fitlow
Des scientifiques de l'Université Rice ont trouvé des informations révélatrices où la lumière d'une molécule rencontre la lumière d'une nanoparticule.
Les laboratoires des chimistes de Rice, Christy Landes et Stephan Link, ont démontré comment optimiser une méthode capable de détecter de petites concentrations de molécules en amplifiant la lumière qu'elles émettent lorsque leurs fréquences spectrales chevauchent celles des nanoparticules plasmoniques voisines.
Les plasmons de surface, ondes d'électrons cohérentes qui ondulent à travers la surface d'une nanoparticule métallique, agissent comme des antennes et améliorent jusqu'à 10 fois la lumière émise par les molécules lorsqu'elles se trouvent dans le « sweet spot » près d'une particule.
Leur technique fait l'objet d'un article dans une édition spéciale du Journal de physique chimique axé sur les directions émergentes de la plasmonique. Les travaux de Rice pourraient aider les chercheurs à analyser les surfaces actives des catalyseurs et d'autres matériaux à l'échelle nanométrique, une étape importante dans l'amélioration de leur efficacité.
La découverte repose sur le phénomène d'électrochimiluminescence (ECL), par lequel l'électricité entraîne des réactions chimiques qui incitent les molécules à émettre de la lumière, dit Thomas Heiderscheit, un étudiant diplômé de Rice et l'auteur principal de l'article. Il est souvent utilisé pour détecter des traces de métaux comme les métaux lourds dans l'eau ou le virus Zika dans les fluides biologiques.
Les scientifiques de Rice ont développé une méthode qui peut détecter de petites concentrations de molécules près de la surface d'une nanoparticule en amplifiant la lumière qu'elles émettent lorsque leurs fréquences spectrales chevauchent celles des nanoparticules plasmoniques adjacentes. Crédit :Thomas Heiderscheit
Des études antérieures ont déduit que le chevauchement spectral de la nanoparticule et des molécules améliorerait le signal, mais ces études n'ont pas pu expliquer les différences innées dans la taille et la forme des nanoparticules qui pourraient masquer les effets. Les chercheurs de Rice avaient entrepris de minimiser ces autres impacts pour se concentrer uniquement sur le rôle du chevauchement des fréquences spectrales sur l'amélioration du signal.
"Cette étude examine quel type d'antenne est le meilleur à utiliser, parce que les propriétés de la nanoparticule dictent le spectre et son chevauchement avec la molécule, " a déclaré Miranda Gallagher, un associé de recherche postdoctoral Rice et co-auteur de l'article. « Devrait-il être rond ou devrait-il avoir des bords tranchants ? Doit-il être plus petit ou plus grand ? »
Dans les expériences, les chercheurs ont combiné soit des nanosphères d'or, soit des nanotriangles d'or à pointe pointue avec une molécule de colorant à base de ruthénium dans une coque en polymère qui empêchait les molécules de migrer trop loin des particules. "C'est essentiellement notre électrode, " Heiderscheit a dit. " Si nous n'avions pas le polymère, les molécules de colorant seraient libres de se déplacer et nous verrions la lumière se diffuser à travers l'échantillon."
Avec les molécules contraintes par le polymère, ils pouvaient clairement voir les molécules émettant à proximité des particules. Ils ont déterminé que l'amélioration du signal est contrôlée par une combinaison d'appariement de taille et de fréquence entre la molécule de colorant et les nanosphères, et juste la correspondance de fréquence pour les nanotriangles.
Thomas Heiderscheit, étudiant diplômé de Rice, démontre une technique pour amplifier la lumière à partir de petites concentrations de molécules sur une surface. Crédit :Jeff Fitlow
L'imagerie d'une molécule unique est encore un tronçon pour la technique naissante, dit Heiderscheit.
"Essentiellement, nous imaginons à quel point une surface est active, ", a-t-il déclaré. "Le ministère de l'Énergie (le principal sponsor du projet) se soucie de cette recherche car elle pourrait réaliser une cartographie en super-résolution de la réactivité sur une surface." La super-résolution permet la capture d'images en dessous de la limite de diffraction de la lumière. .
"Par exemple, si vous avez des nanoparticules dans un système de batterie, vous pouvez utiliser ECL pour cartographier où les réactions sont les plus chimiquement actives, " Heiderscheit a dit. " Vous déterminez essentiellement quelles nanoparticules font un bon catalyseur, et nous pouvons utiliser cet outil pour en concevoir de meilleurs."
