Plasmon-verstärkte Fluoreszenz von Rhodamin 6G bei kontrollierten Abständen zu Goldnanopartikeln

Zusammenfassung

Wir untersuchen die Fluoreszenz von submonolagen Rhodamin-6G-Molekülen in der Nähe von Goldnanopartikeln (NPs) bei einer gut kontrollierten Poly(methylmethacrylat) (PMMA) Zwischenschichtdicke von 1,5 bis 21 nm. Die plasmonischen Resonanzpeaks der Gold-NPs werden durch den PMMA-Spacer unterschiedlicher Dicken von 530 auf 580 nm abgestimmt. Aufgrund der plasmonischen resonanten Anregungsverstärkung wird die Emissionsintensität der Rhodamin-6G-Moleküle bei 562 nm erhöht und zeigt einen Abfall mit zunehmender PMMA-Spacer-Dicke. Die Variation der spektralen Intensität, simuliert mit der Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Methode (FDTD), stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Zudem zeigen die Lebenszeitmessungen die kombinierten Effekte auf die Rhodamin-6G-Fluoreszenz, darunter der Quenching-Effekt, der Barriere-Effekt von PMMA als Spacerschicht und der Dämpfungseffekt von PMMA-Filmen.

Einleitung

Fluoreszenz-Quenching [1–4] und -Verstärkung [5–7] sind zwei widersprüchliche Phänomene, die durch die Wechselwirkung zwischen optischen Molekülen und Metallen oder metallischen Nanopartikeln verursacht werden. In den letzten Jahrzehnten konzentrierten sich zahlreiche Veröffentlichungen auf die Emissionseigenschaften von Fluorophoren im Nahfeld von Metallnanopartikeln [8, 9]. Diese Studien zeigen, dass die Unterdrückung durch gedämpfte Moleküldipolschwingungen oder Orbitalhybridisierung durch Grenzflächenwechselwirkung resultiert [10–13], während die Verstärkung auf das stark verstärkte einfallende Feld durch lokale Oberflächenplasmonenresonanz zurückzuführen ist [14–16].

Rhodamin 6G (R6G) wird aufgrund seiner Stabilität, hohen Fluoreszenzquantenausbeute und niedrigen Kosten weit als fluoreszierender Marker und Laserdfarbstoff eingesetzt. Die meisten Forschungen zu R6G-Molekülen fokussierten sich auf ihre Lösungen [17–20], während R6G im Festkörper weniger untersucht wurde [21, 22]. Obwohl umfangreiche Forschungen zur plasmonenverstärkten Fluoreszenz durchgeführt wurden, ist das Zusammenspiel zwischen der plasmonischen Resonanz metallischer NPs und den intrinsischen optischen Eigenschaften der Moleküle immer noch zu komplex, um es vollständig zu verstehen. Insbesondere wurde die Anpassung der plasmonischen Resonanzpeakposition an den Emissionspeak des Fluorophors von vielen Gruppen betont [23–26]. Dies ist von großer Bedeutung für das Verständnis der Natur plasmonischer Effekte und für die Entwicklung molekularfluoreszenzbasierter Messgeräte [27–31], wie organische Leuchtdioden (OLEDs) [32, 33], optische Sensoren [34, 35] und molekular-elektronische Geräte [36–38].

In unserer früheren Arbeit konnte die Einzel-Nanokristall-Upconversion-Lumineszenzverstärkung durch Kontrolle der Oberflächenplasmonenresonanzwellenlänge und NP-Größen erzielt werden [39]. Die Dicke der trennenden Poly(methylmethacrylat) (PMMA) Schicht konnte präzise kontrolliert werden, um die Emissionseigenschaften einzelner Quantenpunkte abzustimmen [40]. Tetraphenylporphyrin (TPP)-Moleküle erwiesen sich als dramatisch vom lokalisierten Plasmonenmodus beeinflusst [41, 42].

In dieser Arbeit werden die plasmonischen Resonanzpeaks gut überlappend mit dem molekularen Emissionspeak abgestimmt. Die Photolumineszenz (PL)-Spektren und fluoreszierenden Lebensdauern von submonolagen R6G-Molekülen auf der Oberfläche von Gold-NPs stärken die Evidenz einer plasmonenverstärkten Dominanz über den nicht-strahlenden Zerfall. Diese Studie bietet eine wichtige Gelegenheit, das Verständnis von einzelnen oder submonolagen R6G-Molekülen im Festkörper voranzutreiben.

Methoden

Substratherstellung

Um ein sauberes Glassubstrat mit negativen Oberflächenladungen zu erhalten, wurde das Glassubstrat 30 Minuten in Piranha-Lösung eingeweicht und mit deionisiertem Wasser gespült. Anschließend wurde das Glassubstrat für über 12 Stunden in 3 ml einer 140-nm-Goldnanopartikel-Lösung (Au NPs, Crystano™) mit pH 3,0 gelegt. Nach dieser Behandlung wurden die Au NPs fest auf dem Substrat durch elektrostatische Adsorption gebunden. Nach Waschen und Trocknen wurde die Dichte der Au NPs auf dem Glassubstrat mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert.

Ein Poly(methylmethacrylat) (PMMA) Film wurde durch Spin-Coating bei 3000 U/min für 60 s als Spacer zwischen Au NPs und Rhodamin-6G (R6G) Molekülen hergestellt. Zur Kontrolle der Spacerdicken wurde PMMA-Methylbenzol-Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen von 0,03 Gew.-%, 0,1 Gew.-% und 0,4 Gew.-% auf die Glasoberfläche spin-coated.

Herstellung submonolager Rhodamin-6G-Moleküle

Die submonolagen R6G-Moleküle wurden bei 10⁻⁶ mbar Vakuum bei Raumtemperatur durch thermische Verdampfung auf die Oberfläche von Gold- oder Glassubstraten aufgedampft. Die Verdampfungsrate und die molekulare Bedeckung wurden durch kontinuierliche Heizspannung, Strom und Abscheidezeit kontrolliert. Der Prozess wurde mehrmals mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) wiederholt, um geeignete Herstellungsbedingungen zu ermitteln. Die Verteilung der submonolagen R6G-Moleküle auf den Substraten wurde durch STM und AFM charakterisiert.

Photolumineszenz

Die Photolumineszenz (PL)-Spektren und Fluoreszenzlebensdauern wurden bei 10⁻⁵ mbar Vakuum und Raumtemperatur gemessen. Stationäre PL-Spektren wurden mit einem flüssigstickstoffgekühlten CCD-Spektrometer (Princeton Instruments) erfasst, während Photonenzählung und Lebensdauermessungen mit einem Mikrokanalplatten-Photomultipliertubus (Hamamatsu) in Kombination mit der zeitkorrelierten Einzelphotonenzähltechnik (Edinburgh Instruments) durchgeführt wurden. Ein gepulster Pikosekunden-Halbleiterlaser bei 375 nm (Advance Laser System) wurde zur Anregung der Proben verwendet.

Simulation

Die Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Methode (FDTD) wurde für die numerische Simulation mit der Software FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Kanada) verwendet. Au-Nanopartikel mit 140 nm Durchmesser und unterschiedlichen PMMA-Spacerdicken wurden auf Glassubstraten platziert. Die Dielektrizitätskonstante von Gold wurde aus Ref. [43] entnommen, die Dielektrizitätskonstanten von CTAB und PMMA als 1,40 bzw. 1,49 angenommen. Der Brechungsindex der umgebenden Matrix wurde auf 1,0 für Luft gesetzt. Eine ebene Wellenquelle im Gesamtfeld-Streufeld-Modus von 400 bis 700 nm diente als einfallendes Licht. Die elektrische Feldverteilung in der Nähe des Au-Nanopartikels wurde mit Frequenzbereich-Feldprofilmontoren bewertet. Ein dreidimensionales nicht-uniformes Gitter mit einer Gittergröße von 0,5 nm wurde für den Innenbereich und die Nähe des Au-Nanopartikels gewählt. Perfekt angepasste Schicht-Absorptionsrandbedingungen sowie symmetrische Randbedingungen wurden verwendet, um Speicherbedarf und Rechenzeit zu reduzieren. Die numerischen Ergebnisse bestanden vorangegangene Konvergenztests.

Ergebnisse und Diskussion

Die Größe und Form der 140 nm Au NPs wurden zunächst mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) charakterisiert. Wie in Abb. 1a gezeigt, sind die meisten Partikel gut dispergiert mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 140 ± 10 nm. Die mit ultradünnen Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) Tensidschichten überzogenen Gold-NPs sind auch in Abb. 1b identifiziert. Das Histogramm zeigt, dass die Schichtdicken 2,5 ± 1 nm betragen (Abb. 1c), was Monolagen oder Bilagen von CTAB entspricht [44].

Typische AFM-Bilder der Au NPs, adsorbiert auf dem Glassubstrat ohne und mit einer PMMA-Schicht, sind in Abb. 2a, b dargestellt. Beim Vergleich von Abb. 2a und b stellt man fest, dass die Dichte der Au NPs im gleichen Bereich ähnlich ist, aber der spin-coated PMMA-Film im AFM-Bild nicht unterschieden werden kann. Daher wurde ein benchtop Stylus-Profilometer (Bruker) verwendet, um die Dicke der PMMA-Filme mit unterschiedlichen Konzentrationen zu bestimmen. Abb. 2c–e zeigen drei Proben mit Konzentrationen von 0,03 Gew.-% (~1,5 nm), 0,1 Gew.-% (~6,5 nm) und 0,4 Gew.-% (~21 nm). Abb. 2f zeigt die Absorptionsspektren vier verschiedener Substrate. Ein deutlicher Rotverschiebung des Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Peaks ist mit zunehmender PMMA-Schichtdicke zu beobachten. Dies könnte auf die Erhöhung des lokalen Brechungsindex um die Au NPs zurückzuführen sein, was gut mit der vorherigen Literatur übereinstimmt [45].

Submonolage R6G-Moleküle wurden durch folgende Schritte erreicht. Zunächst wurde die Au(111)-Oberfläche nach Ionensputtern und Hochtemperaturglühen rekonstruiert, was durch ihre regelmäßigen „Fischgräten“-Streifen bestätigt werden kann (Abb. 3a). Nach 60 s thermischer Verdampfung bei 0,8 V Spannung und 0,6 A Strom wurden R6G-Moleküle auf die behandelte Au(111)-Oberfläche aufgedampft und auf 80 K mit flüssigem Stickstoff abgekühlt. Der Verteilungszustand der molekularen Submonolage kann durch STM charakterisiert werden (Abb. 3b). Bei Verengung des Bereichs können einzelne isolierte Moleküle, 3 nm im Durchmesser und 0,4 nm in der Höhe, die an Spiegeleier erinnern, stabil und wiederholbar beobachtet werden (Abb. 3c, d). Dies wird auf schwache Molekül-Substrat-Wechselwirkung zurückgeführt.

Unter denselben Bedingungen wurden R6G-Moleküle auf Glassubstrate und PMMA/Glas-Substrate aufgedampft. Da die Raumtemperatur jedoch viel höher ist als die Temperatur in der STM-Betriebskammer, führen die verringerte Molekül-Substrat-Wechselwirkung und die beschleunigte molekulare Mobilität dazu, dass R6G-Moleküle auf der Glasoberfläche Molekülcluster bilden. Ihre Bedeckung ist jedoch immer noch geringer als eine einzelne Lage (Abb. 4a), was auch auf PMMA-Film verifiziert werden kann (Abb. 4b). Beim Vergleich der Einblicke von Abb. 4a und b stellt man fest, dass die Größe der Molekülcluster auf dem PMMA-Film bei Raumtemperatur in Luft größer ist, während die Anzahl abnimmt. Dieses Ergebnis kann durch unterschiedliche Migrationsraten und Adsorptionskapazitäten von R6G-Molekülen auf verschiedenen Substratoberflächen erklärt werden.

Abbildung 4c zeigt das AFM-Bild von R6G-Molekülen auf PMMA/Au NPs/Glas. Aufgrund des großen Größenunterschieds zwischen R6G-Molekülclustern und Goldnanopartikeln ist es schwierig, sowohl Goldnanopartikel als auch Molekülcluster gleichzeitig zu beobachten. Aber die Molekülcluster können im Profilverlauf (Einblick von Abb. 4c) im Vergleich zu PMMA/Glas beobachtet werden.

Fluoreszenzspektren von R6G/PMMA/Au NPs/Glas mit unterschiedlichen PMMA-Schichtdicken, R6G/Au NPs/Glas und R6G/Glas sind in Abb. 4d aufgetragen. Die lumineszente Intensität von R6G/(PMMA)/Au NPs/Glas ist im Vergleich zu R6G/Glas erhöht. Aus dem lumineszenzverstärkenden Faktor von Tabelle 1 geht hervor, dass R6G/Au NPs/Glas die größte Verstärkung mit einem Faktor von etwa 3,78 aufweist. Und seine Intensität nimmt mit zunehmender PMMA-Filmdicke ab.

In Anbetracht der Absorptionspeaks der Au NPs mit unterschiedlichen PMMA-Dicken (530–580 nm) und des Emissionspeaks der R6G-Moleküle (562 nm) ist der Fluoreszenzverstärkungsmechanismus mit dem spektralen Überlappungsgrad und dem Trennungsabstand zwischen Molekülen und Nanopartikeln verbunden. Sowohl PMMA als auch CTAB auf der Oberfläche der Goldkugel als Trennschichten spielen Schlüsselrollen bei der Verringerung des nicht-strahlenden Energieübergangs zwischen R6G-Molekülen und Au NPs. Da Plasmonenresonanz ein starker lokaler Nahfeldeffekt ist, bewirkt die Verdickung der Zwischenschicht, dass R6G allmählich aus dem Bereich des starken lokalen Feldes herausbewegt wird. Dies führt zur Abschwächung des Verstärkungseffekts mit zunehmender PMMA-Dicke. Andererseits trägt auch die Verschiebung des plasmonischen Resonanzpeaks zur Emissionsintensität bei. Die Absorptionsspektrallinienbreite der vier Proben ist sehr breit. Alle decken den Emissionspeak von R6G ab. Obwohl die beste Anpassung zwischen dem plasmonischen Resonanzpeak der Au-Nanokugeln und dem Emissionspeak von R6G bei einer Trennungsdicke von etwa 9 nm vorliegt, ist die Emissionsverstärkung von R6G nicht stärker als die ohne PMMA-Schicht aufgrund der Abnahme des Nahfeldverstärkungseffekts der Au-Nanokugeln bei großer Trennungsdistanz. Daher spielt der Trennungsabstand zwischen Au-Nanokugeln und R6G-Molekülen eine Schlüsselrolle bei der Emissionsverstärkung der R6G-Moleküle.

Zusätzlich zur Intensitätsänderung werden auch die Fluoreszenzlebensdauern der R6G-Moleküle detektiert, wie in Abb. 4e gezeigt. Eine drei-exponentielle Funktion passt den Zerfallsprozess angeregter R6G-Moleküle gut an, wie in Tabelle 1 dargestellt. Wie das Diagramm zeigt, ist die Fluoreszenzlebensdauer am kürzesten, wenn das R6G-Molekül direkt auf die Goldnanopartikel aufgedampft wird, aufgrund des Quenching-Effekts des Metalls. Mit Verdickung der Spacerschicht nimmt der Quenching-Effekt ab, und der plasmonische Verstärkungseffekt schwächt sich ebenfalls ab, was zu einer Zunahme der Lebensdauer führt. Die Testergebnisse zeigen jedoch, dass die Fluoreszenzlebensdauer nicht mit zunehmender PMMA-Dicke verlängert wird, sondern verkürzt. Obwohl sie immer noch länger sind als die molekulare Lebensdauer direkt auf den Goldnanopartikeln. Um den Grund herauszufinden, testeten wir die Fluoreszenzlebensdauer der R6G-Moleküle auf dem PMMA/Glas-Substrat (Abb. 4f und Tabelle 2). Es zeigt sich auch, dass PMMA die Lebensdauer der Moleküle beeinflusst, die mit zunehmender Dicke abnimmt. Dies ist konsistent mit den Phänomenen von PMMA/Au NPs/Glas. Daher wird die Lebensdauer der Moleküle in Abb. 4f verlängert und dann verkürzt, was auf die Existenz des PMMA-Films zurückzuführen ist. Wenn R6G-Moleküle nah an Au NPs sind, zeigt die Lebensdauer einen offensichtlichen Quenching-Effekt. Mit zunehmender PMMA-Filmdicke werden der Barriere- und der Dämpfungseffekt des PMMA-Films beobachtet.

Um die beobachtete abstandsabhängige Fluoreszenzintensität der R6G-Moleküle zu erklären, wurden die Nahfeldverteilungen von Au NPs mit unterschiedlichen Spacerdicken mit der FDTD-Methode simuliert. Wie in Abb. 5a–d gezeigt, werden starke elektrische Feldverstärkungen (|E/E₀|²) um die Oberflächen der PMMA/CTAB/Au NPs Nanostrukturen beobachtet. In Abb. 5e zeigen die Verstärkungsfaktoren der experimentellen Fluoreszenzspektren und des simulierten elektrischen Feldes mit zunehmender Spacerdicke eine gute Übereinstimmung. Der simulierte Nahfeldverstärkungsfaktor ist viel größer als der im Experiment erhaltene. Dieser Grund kann hauptsächlich den idealen Modellen der theoretischen Simulationen und dem Fluoreszenz-Quenching-Effekt der Au NPs zugeschrieben werden.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir submonolage R6G-Moleküle auf Gold-NPs mit kontrollierter PMMA-Spacerdicke (1,5–21 nm) aufgedampft. Die PL-Spektren und Zerfallskurven wurden untersucht. Die molekulare Fluoreszenzintensität wird durch die resonante Anregungsverstärkung erhöht und zeigt einen Rückgang mit zunehmender PMMA-Filmdicke. Der experimentelle Verstärkungsfaktor liegt weit unter dem theoretischen, der durch FDTD-Simulation erhalten wurde, hauptsächlich aufgrund des Quenching-Effekts, der durch Ladungstransfer und nicht-strahlenden Energieübergang zwischen den angeregten Molekülen und den Au NPs induziert wird. Darüber hinaus ist es interessant festzustellen, dass PMMA-Filme unterschiedlicher Dicke sowohl Barriere- als auch Lebensdauer-Dämpfungseffekte enthalten, was durch Fluoreszenzlebensdauermessungen bestätigt wird. Diese Studie könnte den Weg für praktische metall-verstärkte Fluoreszenzanwendungen in optischer Bildgebung, Biotechnologie und Materialdetektion ebnen.