Coloidal Síntesis de Nanopatch antenas para aplicaciones en Plasmonics y Nanofotónica

El objetivo general de este procedimiento experimental es demostrar una técnica para fabricar antenas de nanoparches que pueden permitir interacciones ligera-materia personalizadas, como la fluorescencia fuertemente mejorada. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en las comunidades nanofotónicas y plasmónicas, como por ejemplo, cómo lograr una mejora de alta fluorescencia y el control de otros subprocesos relacionados. La principal ventaja de esta técnica es que permite la fabricación a gran escala de nanoantenas, donde el tamaño de la característica crítica se puede controlar en una escala de un solo nanómetro.

Thang Hoang, un asociado postdoctoral, y Jiani Huang, un estudiante graduado de mi laboratorio, demostrarán este procedimiento. Comience el procedimiento de síntesis sumergiendo un matraz limpio de fondo redondo en el baño de calentamiento, aproximadamente a 10 mm de profundidad en el líquido. A continuación, utilice una micropipeta para colocar 10 ml de etilenglicol, o EG, en el matraz de fondo redondo.

Coloque la tapa en el matraz y espere 20 minutos. El propósito de este paso es limpiar el matraz con EG. Después de 20 minutos, retire la tapa y luego levante el matraz de fondo redondo del baño caliente. Saque toda la abrazadera, ya que la solución EG está caliente.

Vierta los 10 ml de EG en un recipiente de desecho, asegurándose de que la barra agitadora magnética no se caiga. Vuelva a colocar el matraz en el baño caliente. Utilice una micropipeta para añadir 5 ml de EG en el matraz y coloque el tapón.

Después de esperar 5 minutos, retire la tapa y use una micropipeta para colocar 60 microlitros de hidrato de hidrosulfuro de sodio en el matraz. Vuelva a colocar la tapa y espere dos minutos. Después de dos minutos, retire la tapa y use una micropipeta para colocar 500 microlitros de la solución de ácido clorhídrico en el matraz.

Inmediatamente, utilice una micropipeta para añadir 1,25 ml de la solución de PVP en el matraz antes de volver a colocar el tapón y esperar dos minutos. Después de quitar la tapa, use una micropipeta para colocar 400 microlitros de la solución de trifluoroacetato de plata en el matraz y vuelva a colocar la tapa. Espere 2,5 horas.

Los nanocubos de plata se forman durante este paso. A lo largo de este tiempo, reduzca la luz de la habitación al mínimo. Después de 2,5 horas, apague el calentador, pero deje que se revuelva para evitar quemar el líquido en el fondo.

Utilice la abrazadera para elevar el matraz por encima del baño de calentamiento y retire la tapa. Luego, retire el matraz del baño caliente para permitir que se enfríe más rápido. Después de unos 20 minutos, agregue 5 ml de acetona en el matraz.

Vórcelo para mezclar bien las soluciones. Al final, el volumen total de la solución es de 12 ml. Con una micropipeta, transfiera la solución final a ocho tubos de plástico más pequeños de 1,5 ml.

Centrifugar estos ocho tubos a una velocidad de 5.150 Gs durante diez minutos. Como resultado, todos los nanocubos de plata están en el fondo de los tubos. Utilice una micropipeta para eliminar el sobrenadante superior, dejando aproximadamente 100 microlitros en el fondo de cada tubo.

Luego, agregue 1 ml de agua desionizada en cada uno de estos tubos. Vórtice y sonique los tubos. Los nanocubos ahora están suspendidos en agua principalmente desionizada.

Repita el paso de centrifugación-resuspensión una vez más. Primero, deposite una capa de clorhidrato de polialeleamina, o HAP, sumergiendo la película de oro en una solución de HAP durante cinco minutos. Esto da como resultado una capa de HAP en la parte superior de la película de oro con un grosor de aproximadamente 1 nanómetro.

Después de cinco minutos, enjuague la película de oro con agua desionizada limpia. Ahora hay una sola capa de HAP encima de la película dorada. A continuación, sumerja la película de oro con la capa individual de HAP en una solución de cloruro de sodio durante un minuto.

A continuación, sumerja la película de oro con la capa única de HAP en una solución de sulfonato de poliestireno o PSS durante cinco minutos. Esto da como resultado una capa de PSS con un grosor de aproximadamente 1 nanómetro encima de la capa de HAP. Continúe este proceso para depositar un total de cinco capas de polielectrolito en la película de oro.

Arrojar 100 microlitros de una solución de cianina-5 de 25 micromolares sobre la superficie de la muestra. A continuación, coloque un cubreobjetos limpio encima de la gota de solución. Las moléculas de cianina-5 se incorporarán a las capas superiores de polielectrolito de manera uniforme.

Después de diez minutos, enjuague la muestra con agua desionizada y séquela con gas nitrógeno limpio. Para formar antenas de nanoparches, diluya la solución de nanocubos preparada 100 veces con agua desionizada, para permitir el estudio óptico de antenas de nanoparches individuales. Utilice una micropipeta para colocar una gota de 20 microlitros de la solución diluida de nanocubos en un cubreobjetos limpio.

Coloque la muestra en contacto con el cubreobjetos durante dos minutos. Como resultado, los nanocubos de plata se inmovilizan en la capa terminal superior de HAP, porque los nanocubos sintetizados aquí están cargados negativamente y la capa superior de HAP está cargada positivamente. Después de dos minutos, enjuague la muestra con agua desionizada y séquela con gas nitrógeno limpio.

Aquí se muestran imágenes representativas de microscopía electrónica de barrido de los nanocubos de plata obtenidos de este procedimiento. Aquí, la muestra se fabricó utilizando una solución sin diluir de nanocubos. Mientras que la muestra se diluyó diez y cien veces en estas imágenes.

En todos los casos, se observan nanocubos de un tamaño relativamente uniforme, caracterizado por esquinas afiladas, con un radio de curvatura de unos 10 nanómetros. Aquí se muestran caracterizaciones ópticas representativas de las antenas de nanoparche finales con moléculas de colorante de cianinina-5 incrustadas. Las mediciones de reflexión de un conjunto de antenas de nanoparches muestran una resonancia de plasmón característica a 650 nanómetros.

Las mediciones de dispersión de nanoantenas individuales muestran una resonancia a la misma longitud de onda, pero con un ancho más estrecho. Las imágenes de campo oscuro de la muestra muestran manchas limitadas por difracción con un color rojo uniforme, lo que indica que la mayoría de las antenas de nanoparches tienen resonancias muy similares debido a la buena homogeneidad de tamaño de los nanocubos fabricados. Finalmente, se observa un gran aumento de fluorescencia de las moléculas de colorante de cianina-5 incrustadas.

Una vez dominada, esta técnica de fabricación puede completarse en cinco horas si se realiza correctamente. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en los campos de la nanofotónica y la plasmónica exploraran la interacción fundamental del metal aplicado y las posibles aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos de superficie, incluidos los diodos emisores de luz, los fotorreflectores de alta eficiencia y la ciencia de la información cuántica. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar antenas de nanoparches utilizando nanocubos de plata sintetizados coloidalmente para permitir interacciones mejoradas entre la luz y la materia.