Fluoresensi Ditingkatkan Plasmon Rhodamine 6G pada Jarak Terkontrol dari Nanopartikel Emas

Abstrak

Kami menyelidiki fluoresensi dari molekul rhodamine 6G submonolayer di dekat nanopartikel (NP) emas pada ketebalan interval pol (metil metakrilat) (PMMA) yang dikontrol dengan baik dari 1,5 hingga 21 nm. Puncak resonansi plasmonik NP emas dikaitkan dari 530 hingga 580 nm oleh spasi PMMA dengan ketebalan yang berbeda. Kemudian, karena peningkatan eksitasi resonansi plasmonik, intensitas emisi molekul rhodamine 6G pada 562 nm ditemukan ditingkatkan dan menunjukkan penurunan seiring meningkatnya ketebalan spasi PMMA. Variasi intensitas spektral yang disimulasikan dengan metode selisih hingga waktu-domain konsisten dengan hasil eksperimen. Selain itu, hasil umur cahaya menunjukkan efek gabungan terhadap fluoresensi rhodamine 6G, yang termasuk efek penurunan, efek rintangan PMMA sebagai lapisan spasi, dan efek attenuasi film PMMA.

Pendahuluan

Penurunan fluoresensi [1,2,3,4] dan peningkatan [5,6,7] adalah dua fenomena yang kontradiktif yang disebabkan oleh interaksi antara molekul optik dan logam atau nanopartikel logam. Dalam beberapa dekade terakhir, sejumlah besar laporan yang diterbitkan berfokus pada properti emisi fluorofor dalam dekat medan nanopartikel logam [8, 9]. Studi-studi ini menunjukkan bahwa penurunan timbul dari osilasi dipol molekul yang diredut atau hibridisasi orbital oleh interaksi antarmuka [10,11,12,13,14], sementara pemfaktoran disebabkan oleh medan insiden yang sangat ditingkatkan oleh resonansi plasmon permukaan lokal [14,15,16].

Rhodamine 6G (R6G) banyak digunakan sebagai markor fluoresen dan pewarna laser karena stabilitasnya, efisiensi kuantum fluoresensi yang tinggi, dan biaya rendah. Sebagian besar penelitian tentang molekul R6G sebagian besar difokuskan pada larutan mereka [17,18,19,20], sementara molekul R6G dalam keadaan padat telah kurang dipelajari [21, 22]. Sementara itu, meskipun penelitian ekstensif telah dilakukan pada fluoresensi yang dipertolongkan plasmon, masih terlalu kompleks untuk memahami secara penuh interaksi antara resonansi plasmonik NP logam dan properti optik intrinsik molekul. Khususnya, mencocokkan posisi puncak resonansi plasmonik dengan puncak emisi fluorofor telah ditekankan oleh banyak kelompok [23,24,25,26]. Ini sangat penting untuk memahami sifat efek plasmonik dan untuk pengembangan perangkat ukur berbasis fluoresensi molekuler [27,28,29,30,31], seperti dioda pemancar cahaya organik (OLED) [32, 33], sensor optik [34, 35] dan perangkat elektronik molekuler [36,37,38].

Dalam pekerjaan kami sebelumnya, peningkatan luminescence upkonversi nanokristal tunggal dapat diperoleh dengan mengontrol panjang gelombang resonansi plasmon permukaan dan ukuran NP [39]. Ketebalan lapisan pemisah pol (metil metakrilat) (PMMA) dapat dikontrol secara tepat untuk menyesuaikan properti emisi titik kuant tunggal [40]. Tetrafenil porfirin (TPP) telah terbukti terpengaruh secara dramatis oleh mode plasmon lokal [41, 42].

Dalam pekerjaan ini, puncak resonansi plasmonik dikaitkan dengan baik tumpang tindih dengan puncak emisi molekuler. Spektrum fotoluminescensi (PL) dan umur cahaya fluoresensi molekul R6G submonolayer pada permukaan NP emas memperkuat bukti dominansi peningkatan plasmonik atas pembusukan nonradiatif. Studi ini memberikan peluang penting untuk meningkatkan pemahaman tentang molekul R6G tunggal atau submonolayer dalam keadaan padat.

Metode

Fabrikasi Substrat

Untuk mendapatkan substrat kaca bersih dengan muatan negatif pada permukaannya, substrat kaca direndam dalam larutan piranha selama 30 menit dan dibersihkan dengan air deionis. Kemudian, substrat kaca dimasukkan ke dalam 3 ml larutan NP emas (Au NPs) 140 nm (Crystano™) dengan pH 3,0 selama lebih dari 12 jam. Setelah perawatan ini, NP terserap kuat pada substrat berdasarkan adsorpsi elektrostatis. Setelah dicuci dan dikeringkan, kepadatan NP pada substrat kaca dikarakterisasi dengan mikroskop gaya atom (AFM).

Film pol (metil metakrilat) (PMMA) disiapkan dengan spin-coating pada 3000 rpm selama 60 detik sebagai spasi antara NP Au dan molekul rhodamine 6G (R6G). Untuk tujuan mengontrol ketebalan spasi, larutan metilbenzen PMMA dengan konsentrasi yang berbeda 0,03wt%, 0,1wt% dan 0,4wt% di spin-coat pada permukaan kaca.

Persiapan Molekul Rhodamine 6G Submonolayer

Mol R6G submonolayer disublimasi ke permukaan substrat emas atau kaca dalam vakum 10^–6 mbar pada suhu ruang oleh penguapan termal. Laju penguapan dan cakupan molekul dikontrol oleh tegangan pemanas, arus dan waktu penyetoran yang berkelanjutan. Proses diulang beberapa kali menggunakan mikroskop penguapan penyangga (STM) untuk menentukan kondisi persiapan yang tepat. Distribusi molekul R6G submonolayer pada substrat dikarakterisasi oleh STM dan AFM.

Fotoluminescensi

Spektrum PL dan umur cahaya fluoresensi diperoleh dalam vakum 10^–5 mbar pada suhu ruang. Spektrum PL keadaan stabil diukur dengan spektrometer CCD pendingin nitrogen cair (Princeton Instruments), sementara penghitungan foton dan pengukuran umur cahaya diselesaikan dengan tabulasi photomultiplier kanal mikro (Hamamatsu) yang digabungkan dengan teknik penghitungan foton tunggal terkait waktu (Edinburgh Instruments). Laser semikonduktor picodetik pulsed pada 375 nm (Advance Laser System) digunakan untuk mengeksitasi sampel.

Simulasi

Metode selisih hingga waktu-domain (FDTD) digunakan untuk melakukan simulasi numerik dengan perangkat lunak FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Kanada). NP emas dengan diameter 140 nm dan berbagai ketebalan spasi PMMA ditempatkan pada substrat kaca. Konstanta dielektrik emas diambil dari Ref. [43], dan konstanta dielektrik CTAB dan PMMA diambil masing-masing 1,40 dan 1,49. Indeks bias matriks sekitar diatur ke 1,0 untuk udara. Sumber medan total-sembarangan gelombang datar yang berkisar dari 400 hingga 700 nm digunakan sebagai cahaya insiden. Distribusi medan listrik di dekat NP emas dievaluasi menggunakan monitor profil medan domain frekuensi. Pengawasan tiga dimensi tidak merata digunakan, dan ukuran grid 0,5 nm dipilih untuk di dalam dan dekat NP emas. Kami menggunakan kondisi batas penyerapan lapisan yang cocok dengan baik serta kondisi batas simetris untuk mengurangi persyaratan memori dan waktu komputasi. Hasil numerik lulus pengujian konvergensi terlebih dahulu.

Hasil dan Pembahasan

Ukuran dan bentuk NP emas 140 nm pertama kali dikarakterisasi dengan mikroskop transmisi elektron (TEM). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, sebagian besar partikel terdistribusi dengan baik dengan diameter rata-rata 140 ± 10 nm. NP emas yang dilapisi lapisan surfaktan cetyltrimetilamonium bromida (CTAB) ultral tipis juga teridentifikasi pada Gambar 1b. Histogram menunjukkan bahwa ketebalan cangkang adalah 2,5 ± 1 nm (Gambar 1c), yang sesuai dengan CTAB monolayer atau bilayer [44].

a, b Citra TEM NP Au dengan CTAB. c Distribusi ketebalan CTAB

Citra AFM tipikal dari NP Au yang terserap pada substrat kaca tanpa dan dengan lapisan PMMA ditampilkan pada Gambar 2a, b. Membandingkan Gambar 2a dan b, kami dapat menemukan bahwa kepadatan NP Au dalam rentang yang sama serupa, tetapi film PMMA yang di spin-coat tidak dapat dibedakan oleh citra AFM. Oleh karena itu, profilometer pena meja (Bruker) digunakan untuk menilai ketebalan film PMMA dengan konsentrasi yang berbeda. Gambar 2c–e menunjukkan tiga sampel dengan konsentrasi 0,03wt% (~ 1,5 nm), 0,1wt% (~ 6,5 nm) dan 0,4wt% (~ 21 nm), masing-masing. Gambar 2f menunjukkan spektrum penyerapan dari empat substrat yang berbeda. Perubahan merah yang jelas pada puncak resonansi plasmon permukaan (SPR) dapat ditemukan dengan meningkatnya ketebalan lapisan PMMA. Ini mungkin disebabkan oleh peningkatan indeks bias lokal di sekitar NP Au, yang konsisten dengan literatur sebelumnya [45].

Citra AFM tipikal NP Au/kaca (a) dan PMMA/NP Au/kaca (b). Profil permukaan film PMMA dengan konsentrasi 0,03wt% (c), 0,1wt% (d) dan 0,4wt% (e). f Spektrum penyerapan UV–Vis NP tanpa PMMA (hitam) dan dengan lapisan pemisah PMMA 1,5 nm (merah), 6,5 nm (biru) dan 21 nm (oranye)

Mol R6G submonolayer dicapai dengan langkah-langkah berikut. Pertama, permukaan Au (111) direkonstruksi setelah penyetupan ion dan aneling suhu tinggi, yang dapat dikonfirmasi oleh sirip 'herringbone' teraturnya (Gambar 3a). Kemudian, setelah 60 detik penguapan termal pada tegangan 0,8 V dan arus 0,6 A, mol R6G dipanaskan ke permukaan Au (111) yang telah ditangani dan dinginkan ke 80 K menggunakan nitrogen cair. Keadaan distribusi submonolayer molekul dapat dikarakterisasi oleh STM (Gambar 3b). Ketika menyempitkan rentang, molekul tunggal terisolasi, diameter 3 nm dan tinggi 0,4 nm, yang mirip dengan telur rebus, dapat diamati secara stabil dan berulang (Gambar 3c, d). Ini dapat disebabkan oleh interaksi molekul-substrat yang lemah.

Citra STM tipikal permukaan Au (111) bersih (a), molekul R6G pada Au (111) (b) dan satu molekul R6G (c). d Profil garis melalui satu molekul R6G

Dalam kondisi yang sama, molekul R6G disetor pada substrat kaca dan PMMA/kaca, masing-masing. Namun, suhu ruang jauh lebih tinggi dari suhu dalam ruang operasi STM. Jadi, penurunan interaksi molekul-substrat dan percepatan mobilitas molekul membuat molekul R6G pada permukaan kaca membentuk klaster molekuler. Namun, cakupannya masih kurang dari satu lapisan (Gambar 4a), yang juga dapat diverifikasi pada film PMMA (Gambar 4b). Membandingkan insert Gambar 4a dan b, kami dapat menemukan bahwa ukuran klaster molekuler pada film PMMA lebih besar pada suhu ruang di udara, sementara jumlahnya berkurang. Hasil ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa laju migrasi dan kapasitas adsorpsi molekul R6G pada berbagai permukaan substrat berbeda.

Citra AFM tipikal molekul R6G pada kaca (a), PMMA/kaca (b), PMMA/NP Au/kaca (c). Insert: profil garis klaster molekul R6G. d, e Spektrum fluoresensi dan dinamika pembusukan PL dari R6G/kaca, R6G/NP Au/kaca dan R6G/PMMA/NP Au/kaca, masing-masing. f Dinamika pembusukan PL dari R6G/PMMA/kaca

Gambar 4c menunjukkan citra AFM molekul R6G pada PMMA/NP Au/kaca. Karena perbedaan ukuran yang besar antara klaster molekuler R6G dan NP emas, sulit untuk mengamati baik NP emas maupun klaster molekuler pada saat yang sama. Namun, klaster molekuler dapat diamati dalam profil garis (insert Gambar 4c) dibandingkan dengan pada PMMA/kaca.

Spektrum fluoresensi R6G/PMMA/NP Au/kaca dengan berbagai ketebalan lapisan PMMA, R6G/NP Au/kaca dan R6G/kaca ditampilkan pada Gambar 4d. Intensitas luminesensi R6G/(PMMA)/NP Au/kaca ditemukan ditingkatkan dibandingkan dengan R6G/kaca. Dari faktor peningkatan luminesensi Tabel 1, kami dapat melihat bahwa R6G/NP Au/kaca memiliki peningkatan terbesar dengan faktor sekitar 3,78. Dan intensitasnya berkurang seiring meningkatnya ketebalan film PMMA.

Mempertimbangkan puncak penyerapan NP emas yang dilapisi dengan berbagai ketebalan PMMA (530–580 nm) dan puncak emisi molekul R6G (562 nm), mekanisme peningkatan fluoresensi terkait dengan sejumlah tumpang tindih spektral dan jarak pemisahan antara molekul dan nanopartikel. Keduanya PMMA dan CTAB pada permukaan bola emas sebagai lapisan pemisahan memainkan peran kunci dalam mengurangi transfer energi nonradiatif antara molekul R6G dan NP Au. Karena resonansi plasmon adalah efek medan lokal yang kuat, penguatan lapisan interval membuat R6G secara bertahap menjauh dari rentang medan lokal yang kuat. Ini mengakibatkan penurunan efek peningkatan dengan meningkatnya ketebalan PMMA. Di sisi lain, perpindahan puncak resonansi plasmon juga berkontribusi terhadap intensitas emisi. Garis lebar spektrum penyerapan dari keempat sampel sangat lebar. Semuanya mencakup puncak emisi R6G. Meskipun ada kecocokan terbaik antara puncak resonansi plasmon bola nano emas dan puncak emisi R6G ketika ketebalan pemisahan sekitar 9 nm, peningkatan emisi R6G tidak lebih kuat daripada tanpa lapisan PMMA karena penurunan efek peningkatan medan lokal bola nano emas pada jarak pemisahan yang besar. Oleh karena itu, jarak pemisahan antara bola nano emas dan molekul R6G memainkan peran kunci dalam peningkatan emisi molekul R6G.

Selain perubahan intensitas, umur cahaya fluoresensi molekul R6G juga dideteksi, seperti ditunjukkan pada Gambar 4e. Fungsi eksponensial tiga dapat sesuai dengan proses pembusukan molekul R6G yang diekstimasi, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Seperti yang ditunjukkan dalam diagram, ketika molekul R6G langsung diuapkan pada NP emas, umur cahaya fluoresensi paling pendek karena efek penurunan logam. Dengan penguatan lapisan pemisah, efek penurunan berkurang, dan efek peningkatan plasmonik juga melemah, yang mengakibatkan peningkatan umur cahaya. Namun, hasil pengujian menunjukkan bahwa umur cahaya fluoresensi tidak diperpanjang dengan meningkatnya ketebalan PMMA, melainkan menjadi lebih pendek. Meskipun, mereka masih lebih lama daripada umur cahaya molekuler langsung pada NP emas. Untuk menemukan alasan, kami menguji umur cahaya fluoresensi molekul R6G pada substrat PMMA/kaca (Gambar 4f dan Tabel 2). Juga ditemukan bahwa PMMA dapat mempengaruhi umur cahaya molekul, yang berkurang seiring meningkatnya ketebalan. Ini konsisten dengan fenomena PMMA/NP Au/kaca. Oleh karena itu, umur cahaya molekul pada Gambar 4f diperpanjang dan kemudian disingkat, yang disebabkan oleh keberadaan film PMMA. Ketika molekul R6G dekat dengan NP Au, umur cahaya menunjukkan efek penurunan yang jelas. Seiring meningkatnya ketebalan film PMMA, efek rintangan dan attenuasi film PMMA diamati.

Untuk menjelaskan intensitas fluoresensi bergantung pada jarak yang diamati dari molekul R6G, distribusi medan dekat NP emas dengan berbagai ketebalan spasi disimulasikan dengan metode FDTD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a–d, peningkatan medan listrik yang kuat (|E/E₀|²) diamati di sekitar permukaan nanostruktur PMMA/CTAB/NP Au. Pada Gambar 5e, faktor peningkatan spektrum fluoresensi eksperimental dan medan listrik yang disimulasikan dengan meningkatnya ketebalan spasi menunjukkan kesepakatan yang baik. Faktor peningkatan medan dekat yang disimulasikan jauh lebih besar daripada yang diperoleh dalam eksperimen. Hal ini dapat disebabkan terutama oleh model ideal dari simulasi teoretis dan efek penurunan fluoresensi NP Au.

Gambar distribusi peningkatan medan listrik (|E/E₀|²) untuk NP Au yang dilapisi PMMA pada λ = 562 nm dengan ketebalan spasi 2,5 nm (a), 4 nm (b), 9 nm (c) dan 21 nm (d, sementara lingkaran putih putus mewakili NP Au. e Faktor peningkatan spektrum fluoresensi eksperimental (biru) dan medan listrik yang disimulasikan (hitam) bergantung pada ketebalan spasi PMMA

Kesimpulan

Secara singkat, kami menguapkan molekul R6G submonolayer pada NP emas dengan ketebalan spasi PMMA yang dikontrol (1,5–21 nm). Spektrum PL dan kurva pembusukan dipelajari. Intensitas fluoresensi molekuler ditingkatkan oleh peningkatan eksitasi resonansi dan menunjukkan penurunan seiring meningkatnya ketebalan film PMMA. Faktor peningkatan eksperimental jauh di bawah yang teoretis yang diperoleh dari simulasi FDTD terutama karena efek penurunan yang diinduksi oleh transfer muatan dan transfer energi nonradiatif antara molekul yang diekstimasi dan NP Au. Selain itu, menarik untuk dicatat bahwa film PMMA dengan berbagai ketebalan mengandung efek rintangan dan attenuasi umur cahaya, yang dikonfirmasi oleh pengukuran umur cahaya fluoresensi. Studi ini dapat membuka jalan untuk aplikasi fluoresensi yang ditingkatkan logam praktis dalam bidang citra optik, bioteknologi dan deteksi material.