Synteza koloidalna anten nanopatchowych do zastosowań w plazmonice i nanofotonice

Ogólnym celem tej eksperymentalnej procedury jest zademonstrowanie techniki wytwarzania anten nanopatchowych, które mogą umożliwić dostosowane interakcje światło-materia, takie jak silnie wzmocniona fluorescencja. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w społecznościach nanofotonicznych i plazmonicznych, takie jak sposób osiągnięcia wysokiego wzmocnienia fluorescencji i kontroli innych powiązanych podprocesów. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona wytwarzanie nanoanten na dużą skalę, w których krytyczny rozmiar elementu może być kontrolowany w skali pojedynczego nanometra.

Tę procedurę zademonstrują Thang Hoang, adiunkt i Jiani Huang, doktorant z mojego laboratorium. Procedurę syntezy należy rozpocząć od zanurzenia oczyszczonej kolby okrągłodennej w łaźni grzewczej na głębokość około 10 mm w cieczy. Następnie za pomocą mikropipety umieść 10 ml glikolu etylenowego lub EG w kolbie okrągłodennej.

Załóż nakrętkę na kolbę i odczekaj 20 minut. Celem tego kroku jest oczyszczenie kolby za pomocą EG. Po 20 minutach zdjąć nakrętkę, a następnie wyjąć kolbę okrągłodenną z łaźni grzewczej. Wyjmij cały zacisk, ponieważ roztwór EG jest gorący.

Wlej 10 ml EG do pojemnika na odpady, upewniając się, że mieszadło magnetyczne nie wypadnie. Umieścić kolbę z powrotem w łaźni grzewczej. Za pomocą mikropipety dodaj 5 ml EG do kolby i załóż nakrętkę.

Po odczekaniu 5 minut zdjąć nakrętkę i za pomocą mikropipety umieścić 60 mikrolitrów hydratu wodorosiarczku sodu w kolbie. Załóż nakrętkę z powrotem i odczekaj dwie minuty. Po dwóch minutach zdjąć nakrętkę i za pomocą mikropipety umieścić 500 mikrolitrów roztworu kwasu solnego w kolbie.

Natychmiast użyj mikropipety, aby dodać 1,25 ml roztworu PVP do kolby, a następnie ponownie załóż nakrętkę i odczekaj dwie minuty. Po zdjęciu nakrętki za pomocą mikropipety umieścić 400 mikrolitrów roztworu trifluorooctanu srebra w kolbie i ponownie założyć nakrętkę. Poczekaj 2,5 godziny.

Na tym etapie tworzą się nanokostki srebra. Przez cały ten czas zmniejsz ilość światła w pomieszczeniu do minimum. Po 2,5 godziny wyłącz grzałkę, ale pozostaw włączone mieszanie, aby uniknąć przypalenia płynu na dnie.

Za pomocą zacisku podnieść kolbę nad łaźnię grzewczą i zdjąć nakrętkę. Następnie wyjąć kolbę z łaźni grzewczej, aby umożliwić jej szybsze ostygnięcie. Po około 20 minutach dodać 5 ml acetonu do kolby.

Wiruj go, aby dobrze wymieszać roztwory. Ostatecznie całkowita objętość roztworu wynosi 12 ml. Za pomocą mikropipety przenieś końcowy roztwór do ośmiu mniejszych plastikowych probówek o pojemności 1,5 ml.

Odwirować te osiem probówek z prędkością 5,150 g przez dziesięć minut. W rezultacie wszystkie nanokostki srebra znajdują się na dnie probówek. Za pomocą mikropipety usunąć górny supernatant, pozostawiając około 100 mikrolitrów na dnie każdej probówki.

Następnie dodaj 1 ml wody dejonizowanej do każdej z tych probówek. Wirować i sonikować rurki. Nanokostki są teraz zawieszone głównie w wodzie dejonizowanej.

Powtórzyć etap wirowania i ponownego zawieszenia jeszcze raz. Najpierw zdeponuj chlorowodorek polialleleaminy lub warstwę PAH, zanurzając złotą warstwę w roztworze WWA na pięć minut. W ten sposób na wierzchu złotej warstwy znajduje się warstwa WWA o grubości około 1 nanometra.

Po pięciu minutach spłucz złotą folię czystą wodą dejonizowaną. Na wierzchu złotej folii znajduje się teraz pojedyncza warstwa PAH. Następnie zanurz złotą folię z pojedynczą warstwą WWA w roztworze chlorku sodu na jedną minutę.

Następnie zanurz złotą folię z pojedynczą warstwą WWA w sulfonianie polistyrenu lub roztworze PSS na pięć minut. W ten sposób powstaje warstwa PSS o grubości około 1 nanometra na wierzchu warstwy PAH. Kontynuuj ten proces, aby osadzić łącznie pięć warstw polielektrolitu na złotej folii.

Rzuć 100 mikrolitrów 25-mikromolowego roztworu cyjaniny-5 na powierzchnię próbki. Następnie umieść czyste szkiełko nakrywkowe na kropli roztworu. Cząsteczki cyjaniny-5 będą równomiernie włączać się w górne warstwy polielektrolitu.

Po dziesięciu minutach przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć ją czystym azotem. Aby utworzyć anteny nanopatchowe, należy rozcieńczyć przygotowany roztwór nanokostki 100 razy za pomocą wody dejonizowanej, aby umożliwić badanie optyczne poszczególnych anten nanopatchowych. Za pomocą mikropipety umieść kroplę 20 mikrolitrów rozcieńczonego roztworu nanoszetek na czystym szkiełku nakrywkowym.

Umieścić próbkę w kontakcie ze szkiełkiem nakrywkowym na dwie minuty. W rezultacie nanokostki srebra są unieruchomione na górnej końcowej warstwie PAH, ponieważ syntetyzowane tutaj nanokostki są naładowane ujemnie, a górna warstwa WWA jest naładowana dodatnio. Po dwóch minutach przepłukać próbkę wodą dejonizowaną i wysuszyć ją czystym azotem gazowym.

Pokazano tutaj reprezentatywne obrazy nanosześcianów srebra uzyskane w wyniku tej procedury wykonane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. W tym przypadku próbka została wytworzona przy użyciu nierozcieńczonego roztworu nanosześcianów. Natomiast na tych obrazach próbka została rozcieńczona dziesięciokrotnie, a na tych obrazach sto razy.

We wszystkich przypadkach obserwuje się nanokostki o stosunkowo jednolitej wielkości, charakteryzujące się ostrymi narożnikami, o promieniu krzywizny około 10 nanometrów. Pokazano tutaj reprezentatywne charakterystyki optyczne końcowych anten nanopatchowych z osadzonymi cząsteczkami barwnika cyjaniny-5. Pomiary odbicia zestawu anten nanopatchowych pokazują charakterystyczny rezonans plazmonowy na głębokości 650 nanometrów.

Pomiary rozpraszania poszczególnych nanoanten pokazują rezonans na tej samej długości fali, ale o węższej szerokości. Obrazy ciemnego pola próbki pokazują plamy o ograniczonym dyfrakcji i jednolitym czerwonym kolorze, co wskazuje, że większość anten nanopatchowych ma bardzo podobne rezonanse ze względu na dobrą jednorodność wielkości wytworzonych nanosześcianów. Wreszcie obserwuje się duże wzmocnienie fluorescencji osadzonych cząsteczek barwnika cyjaniny-5.

Po opanowaniu tej techniki wytwarzania można ją ukończyć w ciągu pięciu godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny nanofotoniki i plazmoniki do zbadania podstawowych stosowanych interakcji metali i potencjalnych zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych o niejednorodnej powierzchni, w tym diodach elektroluminescencyjnych, wysokowydajnych fotoreflektorach i informatyce kwantowej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać anteny nanopatchowe wykorzystujące koloidalnie syntetyzowane nanokostki srebra, aby umożliwić ulepszone interakcje światło-materia.