La fluorescenza NIR ha mostrato un grande potenziale nelle scienze biologiche, ma il basso rendimento quantistico ha in gran parte ostacolato la ricerca sulla maggior parte dei fluorofori NIR. Qui, scienziati in Cina utilizzano nano-antenne plasmoniche asimmetriche per aumentare drasticamente l'intensità di fluorescenza di una singola molecola di un colorante NIR. L'asimmetria fornisce un parametro di sintonizzazione aggiuntivo che offre nuove possibilità per modulare le proprietà di campo vicino e di campo lontano dei modi plasmonici, migliorando così la fluorescenza senza compromettere la fotostabilità della molecola. Questo lavoro fornisce uno schema universale per l'ingegneria della fluorescenza di singole molecole NIR.

Il rilevamento a fluorescenza a singola molecola (SMFD) è in grado di sondare, una molecola alla volta, processi dinamici che sono cruciali per la comprensione dei meccanismi funzionali nei biosistemi. La fluorescenza nel vicino infrarosso (NIR) offre un migliore rapporto segnale/rumore (SNR) riducendo la dispersione, assorbimento e autofluorescenza da campioni biologici cellulari o tissutali, e quindi, fornisce un'elevata risoluzione di imaging con maggiori profondità di penetrazione dei tessuti che sono importanti per le applicazioni biomediche. Però, la maggior parte degli emettitori NIR soffre di una bassa resa quantica e il debole segnale di fluorescenza NIR rende la rilevazione estremamente difficile.

Le nanostrutture plasmoniche sono in grado di convertire l'energia elettromagnetica localizzata in radiazione libera e viceversa. Questa capacità le rende nano-antenne efficienti per modulare la fluorescenza molecolare. La nano-antenna plasmonica generalmente migliora la fluorescenza di una molecola vicina aumentando la velocità di eccitazione e la resa quantica della molecola. Al fine di migliorare in modo ottimale la fluorescenza, il modo plasmonico della nano-antenna deve 1) accoppiarsi fortemente alla molecola e 2) irradiare fortemente nello spazio libero. Soddisfare contemporaneamente i due requisiti pone una sfida impossibile da superare in nanostrutture plasmoniche simmetriche.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , scienziati dello State Key Laboratory of Surface Physics, Dipartimento di Fisica dell'Università Fudan, Cina, stabilisce un romanzo, approccio universale per migliorare la fluorescenza della singola molecola nel regime NIR senza compromettere la fotostabilità della molecola.

Costruiscono nano-antenne asimmetriche costituite da due barre con lunghezze disuguali (Fig. 1) che forniscono più modalità plasmoniche con frequenze di risonanza sintonizzabili corrispondenti sia alle frequenze di eccitazione che a quelle di emissione del fluoroforo. Il parametro di sintonizzazione aggiunto, cioè., il rapporto tra le lunghezze delle barre, in tali strutture asimmetriche offre nuove possibilità per modulare le proprietà di campo vicino e di campo lontano dei modi plasmonici, migliorando così ulteriormente sia i processi di eccitazione che di emissione. Di conseguenza, acquisiscono sperimentalmente un fattore di miglioramento della fluorescenza a singola molecola fino a 405 (Fig. 2), e i corrispondenti calcoli teorici indicano che la resa quantica può raggiungere l'80%. Poiché la resa quantica gioca un ruolo importante in questa configurazione, questo miglioramento è ottenuto senza sacrificare il tempo di sopravvivenza delle molecole sotto l'irradiazione laser.

Inoltre, confrontato con gruppi di riferimento di molecole situate su substrato di vetro, gli autori hanno osservato un tempo di fotosbiancamento significativamente aumentato nelle molecole situate attorno a nano-antenne a doppia barra asimmetrica (Fig. 3), indicando un numero molto più elevato di fotoni di fluorescenza emessi da quelle molecole. Le nano-antenne sono, perciò, in grado di sopprimere drasticamente il photobleaching. Poiché il miglioramento del campo locale non migliora la fotostabilità, la soppressione deriva principalmente dall'aumento della resa quantica come risultato della competizione tra velocità di fotosbiancamento e velocità di trasferimento di energia all'antenna.