Coloidal Síntese de nanopatch Antenas para aplicações em plasmônica e Nanophotonics

O objetivo geral deste procedimento experimental é demonstrar uma técnica para fabricar antenas nanopatch que possam permitir interações luz-matéria personalizadas, como fluorescência fortemente aprimorada. Este método pode ajudar a responder a questões-chave nas comunidades nanofotônicas e plasmônicas, como obter alto aprimoramento de fluorescência e controle de outros subprocessos relacionados. A principal vantagem dessa técnica é que ela permite a fabricação em larga escala de nanoantenas, onde o tamanho do recurso crítico pode ser controlado em uma única escala nanométrica.

Demonstrando esse procedimento estarão Thang Hoang, um associado de pós-doutorado, e Jiani Huang, um estudante de pós-graduação do meu laboratório. Iniciar o processo de síntese mergulhando um balão limpo de fundo redondo no banho de aquecimento, com cerca de 10 mm de profundidade no líquido. Em seguida, use uma micropipeta para colocar 10mL de etilenoglicol, ou EG, no frasco de fundo redondo.

Colocar a tampa no balão e aguardar 20 minutos. O objetivo desta etapa é limpar o frasco com EG. Após 20 minutos, retirar a tampa e retirar o balão de fundo redondo do banho de aquecimento. Retire todo o clamp, pois a solução EG está quente.

Despeje os 10mL de EG em um recipiente de descarte, certificando-se de que a barra de agitação magnética não caia. Colocar o balão de volta no banho de aquecimento. Use uma micropipeta para adicionar 5mL de EG no frasco e coloque a tampa.

Depois de esperar 5 minutos, retire a tampa e use uma micropipeta para colocar 60 microlitros de hidrato de hidrossulfeto de sódio no frasco. Coloque a tampa de volta e aguarde dois minutos. Após dois minutos, retire a tampa e use uma micropipeta para colocar 500 microlitros da solução de ácido clorídrico no frasco.

Imediatamente, use uma micropipeta para adicionar 1,25 mL da solução de PVP no frasco antes de colocar a tampa de volta e aguardar dois minutos. Depois de remover a tampa, use uma micropipeta para colocar 400 microlitros da solução de trifluoroacetato de prata no frasco e coloque a tampa de volta. Aguarde 2,5 horas.

Os nanocubos de prata estão se formando durante esta etapa. Durante todo esse tempo, reduza a luz da sala ao mínimo. Após 2.5 horas, desligue o aquecedor, mas deixe a agitação ligada para evitar queimar o fluido no fundo.

Use o clamp para levantar o frasco acima do banho de aquecimento e remova a tampa. Em seguida, retire o balão do banho de aquecimento para permitir que arrefeça mais rapidamente. Após cerca de 20 minutos, adicione 5mL de acetona no frasco.

Vortex para misturar bem as soluções. No final, o volume total da solução é de 12mL. Usando uma micropipeta, transfira a solução final para oito tubos plásticos menores de 1,5 mL.

Centrifugue esses oito tubos a uma velocidade de 5.150 Gs por dez minutos. Como resultado, todos os nanocubos de prata estão no fundo dos tubos. Use uma micropipeta para remover o sobrenadante superior, deixando aproximadamente 100 microlitros no fundo de cada tubo.

Em seguida, adicione 1mL de água deionizada em cada um desses tubos. Vórtice e sonicate os tubos. Os nanocubos estão agora suspensos principalmente em água deionizada.

Repetir mais uma vez o passo de centrifugação-ressuspensão. Primeiro, deposite um cloridrato de polialeamina, ou camada de PAH, imergindo o filme de ouro em uma solução de PAH por cinco minutos. Isso resulta em uma camada de PAH no topo do filme de ouro com uma espessura de aproximadamente 1 nanômetro.

Após cinco minutos, enxágue o filme de ouro com água deionizada limpa. Agora existe uma única camada de PAH no topo do filme de ouro. Em seguida, mergulhe o filme de ouro com a camada única de PAH em uma solução de cloreto de sódio por um minuto.

Em seguida, mergulhe o filme de ouro com a única camada de PAH em uma solução de poliestireno sulfonato ou PSS por cinco minutos. Isso resulta em uma camada PSS com uma espessura de aproximadamente 1 nanômetro no topo da camada de PAH. Continue este processo para depositar um total de cinco camadas de polieletrólitos no filme de ouro.

Lance 100 microlitros de uma solução de cianina-5 25 micromolar na superfície da amostra. Em seguida, coloque uma lamínula limpa em cima da gota de solução. As moléculas de cianina-5 serão incorporadas uniformemente nas camadas superiores de polieletrólito.

Após dez minutos, enxágue a amostra com água deionizada e seque-a com gás nitrogênio limpo. Para formar antenas de nanopatch, dilua a solução de nanocubo preparada em 100 vezes usando água deionizada, para permitir o estudo óptico de antenas de nanopatch individuais. Use uma micropipeta para colocar uma gota de 20 microlitros da solução diluída de nanocubo em uma lamínula limpa.

Coloque a amostra em contato com a lamínula por dois minutos. Como resultado, os nanocubos de prata são imobilizados na camada superior de PAH terminal, porque os nanocubos sintetizados aqui são carregados negativamente e a camada superior de PAH é carregada positivamente. Após dois minutos, enxágue a amostra com água deionizada e seque-a com gás nitrogênio limpo.

Aqui são mostradas imagens representativas de microscopia eletrônica de varredura dos nanocubos de prata obtidos a partir deste procedimento. Aqui, a amostra foi fabricada usando uma solução não diluída de nanocubos. Considerando que a amostra foi diluída dez e cem vezes nessas imagens.

Em todos os casos, são observados nanocubos de tamanho relativamente uniforme, caracterizados por cantos agudos, com raio de curvatura de cerca de 10 nanômetros. Aqui são mostradas caracterizações ópticas representativas das antenas finais de nanopatch com moléculas de corante de cianina-5 incorporadas. As medições de reflexão de um conjunto de antenas nanopatch mostram uma ressonância plasmônica característica a 650 nanômetros.

As medições de espalhamento de nanoantenas individuais exibem uma ressonância no mesmo comprimento de onda, mas com uma largura mais estreita. As imagens de campo escuro da amostra mostram manchas limitadas por difração com uma cor vermelha uniforme, indicando que a maioria das antenas nanopatch tem ressonâncias muito semelhantes devido à boa homogeneidade de tamanho dos nanocubos fabricados. Finalmente, é observado um grande aumento de fluorescência das moléculas de corante de cianina-5 incorporadas.

Uma vez dominada, essa técnica de fabricação pode ser concluída em cinco horas se for executada corretamente. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores nas áreas de nanofotônica e plasmônica explorarem a interação fundamental aplicada com metais e aplicações potenciais em dispositivos optoeletrônicos de superfície única, incluindo diodos emissores de luz, fotorrefletores de alta eficiência e ciência da informação quântica. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fabricar antenas nanopatch utilizando nanocubos de prata sintetizados coloidalmente para permitir interações aprimoradas entre luz e matéria.