I chimici del riso amplificano la luce proveniente da piccole concentrazioni di molecole su una superficie massimizzando la sovrapposizione spettrale tra l'emissione e la risonanza plasmonica delle nanoparticelle adiacenti. Le molecole luminose possono essere viste chiaramente ad occhio nudo quando sono eccitate. Credito:Jeff Fitlow
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto informazioni rivelatrici in cui la luce di una molecola incontra la luce di una nanoparticella.
I laboratori dei chimici della Rice Christy Landes e Stephan Link hanno dimostrato come ottimizzare un metodo in grado di rilevare piccole concentrazioni di molecole amplificando la luce che emettono quando le loro frequenze spettrali si sovrappongono a quelle delle vicine nanoparticelle plasmoniche.
I plasmoni di superficie, onde elettroniche coerenti che si increspano sulla superficie di una nanoparticella metallica, agiscono come antenne e migliorano la luce emessa dalle molecole fino a 10 volte quando si trovano nel "punto debole" vicino a una particella.
La loro tecnica è l'argomento di un articolo in un'edizione speciale del Giornale di Fisica Chimica focalizzato sulle direzioni emergenti nella plasmonica. Il lavoro alla Rice potrebbe aiutare i ricercatori ad analizzare le superfici attive di catalizzatori e altri materiali su scala nanometrica, un passo importante per migliorarne l'efficienza.
La scoperta si basa sul fenomeno dell'elettrochemiluminescenza (ECL), con cui l'elettricità guida le reazioni chimiche che spingono le molecole a emettere luce, disse Thomas Heiderscheit, uno studente laureato alla Rice e l'autore principale del documento. Viene spesso utilizzato per rilevare tracce di materiali come i metalli pesanti nell'acqua o il virus Zika nei fluidi biologici.
Gli scienziati del riso hanno sviluppato un metodo in grado di rilevare piccole concentrazioni di molecole vicino alla superficie di una nanoparticella amplificando la luce che emettono quando le loro frequenze spettrali si sovrappongono a quelle delle nanoparticelle plasmoniche adiacenti. Credito:Thomas Heiderscheit
Precedenti studi hanno dedotto che la sovrapposizione spettrale della nanoparticella e delle molecole migliorerebbe il segnale, ma quegli studi non potevano spiegare le differenze innate nelle dimensioni e nelle forme delle nanoparticelle che potrebbero mascherare gli effetti. I ricercatori della Rice avevano deciso di ridurre al minimo questi altri impatti per concentrarsi solo sul ruolo della sovrapposizione delle frequenze spettrali sul miglioramento del segnale.
"Questo studio esamina quale tipo di antenna è il migliore da usare, perché le proprietà della nanoparticella dettano lo spettro e la sua sovrapposizione con la molecola, " disse Miranda Gallagher, un associato di ricerca post-dottorato di Rice e coautore del documento. "Dovrebbe essere rotondo o dovrebbe avere spigoli vivi? Dovrebbe essere più piccolo o più grande?"
Negli esperimenti, i ricercatori hanno combinato nanosfere d'oro o nanotriangoli d'oro a punta affilata con una molecola di colorante a base di rutenio in un guscio polimerico che ha impedito alle molecole di migrare troppo lontano dalle particelle. "Questo è essenzialmente il nostro elettrodo, " ha detto Heiderscheit. "Se non avessimo il polimero, le molecole di colorante sarebbero libere di muoversi e vedremmo la luce diffusa attraverso il campione".
Con le molecole vincolate dal polimero, potevano vedere chiaramente le molecole che emettono particelle vicine. Hanno determinato che il miglioramento del segnale è controllato da una combinazione di dimensioni e corrispondenza della frequenza tra la molecola del colorante e le nanosfere, e solo la corrispondenza della frequenza per i nanotriangoli.
Lo studente laureato Rice Thomas Heiderscheit dimostra una tecnica per amplificare la luce da piccole concentrazioni di molecole su una superficie. Credito:Jeff Fitlow
L'imaging a singola molecola è ancora una forzatura per la tecnica nascente, ha detto Heiderscheit.
"Essenzialmente, immaginiamo quanto sia attiva una superficie, " ha detto. "Il Dipartimento dell'Energia (il principale sponsor del progetto) tiene a questa ricerca perché potrebbe ottenere una mappatura della reattività a super-risoluzione su una superficie". La super-risoluzione consente la cattura di immagini al di sotto del limite di diffrazione della luce .
"Ad esempio, se hai nanoparticelle in un sistema di batterie, puoi usare ECL per mappare dove le reazioni sono più chimicamente attive, "Ha detto Heiderscheit. "Sostanzialmente stai determinando quali nanoparticelle fanno un buon catalizzatore, e possiamo usare questo strumento per progettarne di migliori."
