Sự chuyển giao năng lượng cộng hưởng Förster và độ phát huỳnh quang phân tử gần các hạt nano dạng vỏ lõi được hỗ trợ bởi nitride chịu nhiệt có độ khuếch đại

Plasmonics - Tập 15 - Trang 2081-2093 - 2020
Pratima Rajput1, Manmohan Singh Shishodia1
1Department of Applied Physics, Gautam Buddha University, Greater Noida, India

Tóm tắt

Quá trình chuyển giao năng lượng cộng hưởng Förster (FRET) và độ phát huỳnh quang phân tử (MF) đóng vai trò quan trọng trong tương tác protein-protein, phát hiện axit nucleic, quang hóa, quang phổ phân tử, pháp y, dấu vân tay, pin mặt trời, v.v. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các biểu thức dạng đóng cho sự tăng cường FRET, độ phát huỳnh quang (FY) và độ khuếch đại quang học (QY) trong sự hiện diện của hạt nano dạng vỏ lõi (CSNP) gồm lõi điện môi và vỏ kim loại. Các kết quả cho thấy hạt nano plasmonic tăng cường FRET đáng kể chỉ khi các phân tử cho (donor) và nhận (acceptor) cách xa nhau. Khi hai phân tử này gần nhau (~1 nm), hạt nano plasmonic không tăng cường FRET một cách đáng kể. Do đó, khi các phân tử donor-acceptor của màu sắc được đặt gần nhau, việc tăng cường FRET đáng kể không thể đạt được thông qua tương tác phân tử-bề mặt plasmon. Nghiên cứu hiện tại cho thấy vấn đề này có thể giải quyết bằng cách kết hợp độ khuếch đại quang học trong lõi điện môi của CSNP, và đây là một cơ chế hiệu quả để tăng cường tương tác phân tử khi các phân tử donor-acceptor được đặt gần nhau. Ngoài FRET, độ phát huỳnh quang phân tử trong sự hiện diện của CSNP cũng được nghiên cứu. Mô hình Gersten-Nitzan đã được thiết lập được mở rộng để suy diễn các biểu thức dạng đóng cho FRET, FY và QY, mặc dù gần với hạt nano dạng vỏ lõi. Đáng chú ý, sự tăng cường khổng lồ trong FRET và FY nhờ bù lỗ đi kèm với sự giảm bề rộng cộng hưởng. Các hạt CSNP dựa trên nitride chịu nhiệt (ví dụ, ZrN và TiN) được đánh giá để kiểm tra khả năng cải thiện FRET và FY, và việc so sánh hiệu suất với Au cũng được trình bày.

Từ khóa

#FRET #phát huỳnh quang phân tử #hạt nano dạng vỏ lõi #nâng cao hiệu suất.

Tài liệu tham khảo

Zhang CY, Yeh HC, Kuroki MT, Wang TH (2005) Single quantum dot based DNA naosensor. Nat Mater 4:826–831 Sekar RB, Periasamy A (2003) Fluorescence resonance energy transfer (FRET) microscopy imaging of live cell protein localizations. J Cell Bio 160:629–633 GuangQi L, Shishodia MS, Fainberg BD, Apter B, Oren M, Nitzan A, Ratner M (2012) Compensation of coulomb blocking and energy transfer in the current voltage characteristic of molecular conduction junctions. Nano Lett 12:2228–2232 Shishodia MS, Jayaweera PVV, Matsik SG, Perera AGU, Liu HC, Buchanan M (2010) Surface plasmon enhanced absorption: design and experiment. Photonics and Nanostructures: Fundamental and Applications 09(1):95–100 Nguyen W, Daugherty PS (2005) Evolutionary optimization of fluorescent proteins for intracellular FRET. Nat Biotechnol 23:355–360 Shankar K, Feng X, Grimes CA (2009) Enhanced harvesting of red photons in nano wire solar cell: evidence of resonance energy transfer. ACS Nano 3:4 Forster T (1948) Intermolecular energy migration and fluorescence. Ann Phys 437:55 Forster T (1959) Transfer mechanisms of electronic excitation. Faraday Soc 27:7–17 Shishodia MS, Juneja S (2019) Surface plasmon enhanced electric field verses Förster resonance energy transfer near core-shell nanoparticle. J Appl Phys 125:213104 Shishodia MS, Juneja S (2016) Localized surface plasmon mediated energy transfer in the vicinity of core-shell nanoparticle. J Appl Phys 119:203104 Shishodia MS, Juneja S, Fainberg BD, Nitzan A (2014) Intermolecular energy transfer near plasmonic nanoshell. IEEE 2nd international Conference on Emerging Electronics (ICEE):1–4 Shishodia MS, Fainberg BD, Nitzan A (2011) Theory of energy transfer interactions near sphere and nanoshell based plasmonic nanostructures. Proc SPIE 8096:80961 Juneja S, Shishodia MS (2019) Surface plasmon amplification in refractory transition metal nitrides based nanoparticle dimers. Optics Communications 433:89 Gersten JI, Nitzan A (1984) Accelerated energy transfer between molecules near a solid particle. Chem Phys Lett 104:31–37 Hua XM, Gersten JI, Nitzan A (1985) Theory of energy transfer between molecules near solid state particles. J Chem Phys 83:3650–3659 Wang H, Brand DW, Le F, Nordlander P, Halas NJ (2006) Nanorice: a hybrid plasmonic nanostructure. Nano Lett 6:827–832 Dexter DL (1953) A theory of sensitized luminescence in solids. J Chem Phys 21:836–850 Huang X, El-Sayed MA (2011) Plasmonic photo thermal therapy. Alex J Medicine 47:9 Loo C, Lowery A, Halas N, West J, Drezek R (2005) Immunotargeted nanoshells for integrated cancer imaging and therapy. Nano Lett 5(4):709–711 Shishodia MS, Perera AGU (2011) Heterojunction plasmonic midinfrared detectors. J Appl Phys 109:4 Weeraddana D, Premaratne M, Gunapala SD, Andrews DL (2017) Controlling resonance energy transfer in nanostructure emitters by positioning near a mirror. J Chem Phys 147:074117 Roque PM, Hulst NF, Sapoenza R (2015) Nanophotonic boost of intermolecular energy transfer. New J. Phys 17:113052 Noginov MA, Zhu G, Bahoura M, Adegoke J, Small CE, Ritzo BA, Drachev VP, Shalaev VM (2006) Enhancement of surface plasmons in an Ag aggregate by optical gain in a dielectric medium. Opt Lett 31:3022–3024 Noginov MA (2008) Compensation of surface plasmon loss by gain in dielectric medium. J.Nanophotonics 2:021855 Chang R, Leung PT, Tsai DP (2014) Effects of the gain medium on plasmonic enhancement of Forster resonance energy transfer in the vicinity of metallic particle or cavity. J Opt Soc Am 22:22 Huang JH, Chang R (2014) Theoretical investigation on the strong coupling between a molecule and a metallic nano sphere clad with a gain medium. J Opt 16:015005 Zhum W, Premaratne M, Stockman MI (2014) Quasi-static analysis of controllable optical cross-section of layered nanoparticle with a sandwiched gain layer. J Opt 16:75003 Ayala-orozco C, Liu JG, Norlandar P, Halas NJ (2014) Flourescence enhancement of molecules inside a Gold Nanomatryoshka. Nano Lett 14:2926 Saxena D, Mokkapati S, Parkinson P, Jiang N, Gao Q, Jagadish C (2013) Optically pumped room temperature GaAs nanowire lasers. Nat. Photonics 7:963 Wijesinghe T, Premaratne M, Agrawal GP (2014) Electrically pumped hybrid plasmonic waveguide. Opt Express 22:2681–2694 Tao Y, Guo Z, Zhang A, Zhang J, Wang B, Qu S (2015) Gold nanoshells with gain-assisted silica core for ultra-sensitive biomolecular sensors. Opt Comm 349:193–197 Luo L, Ge C, Tao Y, Tao Y, Guo Z (2016) High-efficiency refractive index sensor based on the metallic nanoslit arrays with gain assisted materials. Nanophotonics 5:548–555 Tao Y, Guo Z, Sun Y, Shen F, Mao X, Qu S (2015) Sliver spherical nanoshells coated gain-assisted ellipsoidal silica core for low-threshold surface plasmon amplification. Opt Commun 355:580–585 Shishodia MS, Pathania P (2018) Estimation of sensing characteristics for refractory nitrides based gain assisted core–shell plasmonic nanoparticles. Phys Plasmas 25:042101 Pathania P, Shishodia MS (2019) Gain-assisted transition metal ternary nitrides (Ti 1− x ZrxN) Core–Shell based sensing of waterborne Bacteria in drinking water. Plasmonics:1–8 Bergman DJ, Stockman MI (2003) Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems. Phys Rev Lett 90:027402 Noginov MA, Zhu G, Belgrave AM, Bakker R, Shalaev VM, Narimanov EE, Stout S, Herz E, Suteewong T, Wiesner U (2009) Demonstration of a spaser-based nanolaser. Nature 460:1110–1112 Oulton RF, Sorger VJ, Zentgraf T, Ma R-M, Gladden C, Dai L, Bartal G, Zhang X (2009) Plasmon lasers at deep subwavelength scale. Nature 461:629–632 Anger P, Bharadwaj P, Novotny L (2006) Enhancement and quenching of single-molecule fluorescence. Phys Rev Lett 96:113002 Dulkeith E, Ringler M, Klar TA, Feldmann J (2005) Gold nanoparticles quench fluorescence by phase induced radiative rate suppression. Nano Lett 5:585–589 Naik GV, Shalaev VM, Boltasseva A (2013) Alternative plasmonic materials: beyond gold and silver. Adv Mater 25:3264–3294 Kumar M, Umezawa N, Ishii S, Nagao T (2016) Examining the performance of refractory conductive ceramics as plasmonic materials: A theoretical approach. ACS Photon 3:43–50 Jackson JD (1998) Classical electrodynamics. John Wiley & Sons Vielma J, Leung PT (2007) Nonlocal optical effects on the fluorescence and decay rated for admolecules at a metallic nanoparticle. J Chem Phys 126:194704 Gersten J (1981) Spectroscopic properties of molecules interacting with small dielectric particles. J Chem Phys 75:3 Tanabe K (2008) Field enhancement around metal nanoparticles and nanoshells: a systematic investigation. J Phys Chem C 112:15721–15728 Kumar M, Ishii S, Umezawa N, Nagao T (2015) Band engineering of ternary metal nitride system Ti1-xZrxN for plasmonic applications. Opt Mater Exp 6:29