金ナノ粒子によるサブ単層ローダミン6Gの距離依存プラズモン増強蛍光

はじめに

蛍光消光[1,2,3,4]と増強[5,6,7]は、光学分子と金属または金属ナノ粒子との相互作用によって引き起こされる2つの相反する現象です。過去数十年の間に、発表されたかなりの量の報告が、金属ナノ粒子の近接場におけるフルオロフォアの発光特性に焦点を合わせています[8、9]。これらの研究は、抑制が界面相互作用による減衰分子双極子振動または軌道混成に起因することを示しています[10,11,12,13,14]が、増幅は局所表面プラズモン共鳴による高度に増強された入射場によるものです[14、 15,16]。

ローダミン6G（R6G）は、その安定性、高い蛍光量子効率、および低コストのために、蛍光マーカーおよびレーザー色素として広く使用されています。 R6G分子に関するほとんどの研究は、主にそれらの溶液に焦点を合わせていますが[17、18、19、20]、固体状態のR6G分子はあまり研究されていません[21、22]。一方、プラズモン支援蛍光については広範な研究が行われていますが、金属NPのプラズモン共鳴と分子の固有の光学特性との相互作用を完全に理解するにはまだ複雑すぎます。特に、プラズモン共鳴のピーク位置をフルオロフォアの発光ピークと一致させることは、多くのグループによって強調されてきました[23、24、25、26]。これは、プラズモニック効果の性質を理解し、有機発光ダイオード（OLED）[32、33]などの分子蛍光ベースの測定デバイス[27、28、29、30、31]の開発にとって非常に重要です。 、光学センサー[34、35]および分子電子デバイス[36、37、38]。

私たちの以前の研究では、表面プラズモン共鳴波長とNPサイズを制御することによって単一ナノ結晶アップコンバージョン発光の増強を得ることができました[39]。ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）分離層の厚さを正確に制御して、単一量子ドットの発光特性を調整することができます[40]。テトラフェニルポルフィリン（TPP）分子は、局在プラズモンモードによって劇的に影響を受けることが実証されています[41、42]。

この作業では、プラズモン共鳴のピークが分子の発光ピークとよく重なるように調整されています。金NPの表面上のサブモノレイヤーR6G分子のフォトルミネッセンス（PL）スペクトルと蛍光寿命は、非放射性崩壊に対するプラズモン増強優位性の証拠を強化します。この研究は、固体状態の単層またはサブ単層のR6G分子の理解を深める重要な機会を提供します。

メソッド

基板の製造

表面に負の電荷を持つきれいなガラス基板を得るには、ガラス基板をピラニア溶液に30分間浸し、脱イオン水ですすいだ。次に、ガラス基板を、PHが3.0の140 nmの金ナノ粒子（Au NP）溶液（Crystano™）3mlに12時間以上入れました。この処理の後、AuNPは静電吸着に基づいて基板にしっかりと吸収されました。洗浄および乾燥後、ガラス基板上のAu NPの密度を原子間力顕微鏡（AFM）で特性評価しました。

ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）フィルムは、Au NPとローダミン6G（R6G）分子の間のスペーサーとして、3000rpmで60秒間スピンコーティングすることによって調製されました。スペーサーの厚さを制御する目的で、0.03wt％、0.1wt％、0.4wt％の異なる濃度のPMMAメチルベンゼン溶液をガラス表面にスピンコートしました。

サブモノレイヤーローダミン6G分子の準備

サブモノレイヤーR6G分子は、10 ^–6 で金またはガラス基板の表面に昇華しました。 熱蒸発による室温でのmbar真空。蒸発速度と分子被覆率は、連続加熱電圧、電流、および堆積時間によって制御されます。適切な準備条件を確認するために、走査型トンネル顕微鏡（STM）を使用してこのプロセスを数回繰り返しました。基板上のサブモノレイヤーR6G分子の分布は、STMとAFMによって特徴づけられました。

フォトルミネッセンス

フォトルミネッセンス（PL）スペクトルと蛍光寿命は10 ^–5 で得られました。 室温でのmbar真空。定常状態のPLスペクトルは、液体窒素冷却電荷結合装置（CCD）分光計（Princeton Instruments）で測定し、光子計数と寿命測定は、時間相関単一光子と組み合わせたマイクロチャネルプレート光電子増倍管（浜松）で完了しました。カウント技術（エジンバラインスツルメンツ）。 375 nmのパルスピコ秒半導体レーザー（Advance Laser System）を使用して、サンプルを励起しました。

シミュレーション

有限差分時間領域（FDTD）法を使用して、ソフトウェアFDTD Solutions（Lumerical Solution、Inc.、Canada）で数値シミュレーションを実行しました。直径140nmでPMMAスペーサーの厚さが異なるAuナノ粒子をガラス基板上に配置します。金の誘電率は参考文献から取られています。 [43]、CTABとPMMAの誘電率はそれぞれ1.40と1.49と見なされます。周囲のマトリックスの屈折率は、空気に対して1.0に設定されています。入射光として、400〜700nmの範囲の平面波全フィールド散乱フィールドソースが使用されます。 Auナノ粒子付近の電界分布は、周波数領域の電界プロファイルモニターを使用して評価されます。 3次元の不均一メッシュが使用され、Auナノ粒子の内側と近傍に0.5nmのグリッドサイズが選択されています。完全に一致する層吸収境界条件と対称境界条件を使用して、メモリ要件と計算時間を削減します。数値結果は事前の収束テストに合格しています。

結果と考察

140 nmのAuNPのサイズと形状は、最初に透過型電子顕微鏡（TEM）によって特徴づけられました。図1aに示すように、ほとんどの粒子は、平均直径140±10nmで十分に分散しています。極薄のセチルトリメチルアンモニウムブロミド（CTAB）界面活性剤層でコーティングされた金のNPも、図1bで識別されます。ヒストグラムは、シェルの厚さが2.5±1 nm（図1c）であり、単層または二層のCTABに対応していることを示しています[44]。

a 、 b CTABを使用したAuNPのTEM画像。 c CTAB分布の厚さ

PMMAの層がない場合とある場合のガラス基板に吸着されたAuNPの典型的なAFM画像を図2a、bに示します。図2aとbを比較すると、同じ範囲のAu NPの密度は類似していることがわかりますが、スピンコートされたPMMAフィルムはAFM画像では区別できません。したがって、ベンチトップスタイラスプロフィロメーター（Bruker）を使用して、さまざまな濃度のPMMAフィルムの厚さを評価しました。図2c–eは、それぞれ0.03wt％（〜1.5 nm）、0.1wt％（〜6.5 nm）、0.4wt％（〜21 nm）の濃度の3つのサンプルを示しています。図2fは、4つの異なる基板の吸収スペクトルを示しています。表面プラズモン共鳴（SPR）ピークの明確な赤方偏移は、PMMA層の厚さが増すにつれて見られます。これは、Au NPの周囲の局所屈折率の増加が原因である可能性があり、これは以前の文献[45]とよく一致しています。

Au NP /ガラスの典型的なAFM画像（ a ）およびPMMA / Au NP /ガラス（ b ）。 0.03wt％（ c ）の濃度のPMMAフィルムの表面プロファイル ）、0.1wt％（ d ）および0.4wt％（ e ）。 f PMMAなし（黒）および1.5 nm（赤）、6.5 nm（青）、21 nm（オレンジ）のPMMA分離層があるNPのUV-Vis吸収スペクトル

サブモノレイヤーR6G分子は、次の手順で実現されました。まず、イオンスパッタリングと高温アニーリングの後に再構築されたAu（111）表面は、通常の「ヘリンボーン」ストライプで確認できます（図3a）。次に、電圧0.8 V、電流0.6 Aで60秒間熱蒸発させた後、R6G分子を処理済みのAu（111）表面に蒸気で送り、液体窒素を使用して80Kに冷却しました。分子サブモノレイヤーの分布状態は、STMによって特徴付けることができます（図3b）。範囲を狭めると、ポーチドエッグに似た直径3 nm、高さ0.4 nmの単一の孤立した分子を安定して繰り返し観察できます（図3c、d）。これは、分子と基質の相互作用が弱いことに起因する可能性があります。

クリーンなAu（111）の典型的なSTM画像（ a ）、Au（111）上のR6G分子（ b ）および単一のR6G分子（ c ）。 d 単一のR6G分子全体のラインプロファイル

同じ条件で、R6G分子がそれぞれガラス基板とPMMA /ガラス基板に堆積しました。ただし、室温はSTMの操作キャビティ内の温度よりもはるかに高くなります。したがって、分子と基板の相互作用の減少と分子移動度の加速により、ガラス分子クラスターの表面にR6G分子ができます。ただし、それらの被覆率はまだ1層未満であり（図4a）、PMMAフィルムでも確認できます（図4b）。図4aとbの挿入図を比較すると、PMMAフィルム上の分子クラスターのサイズは、空気中の室温で大きくなり、量は減少することがわかります。この結果は、異なる基板表面でのR6G分子の移動速度と吸着容量が異なるという事実によって説明される可能性があります。

ガラス上のR6G分子の典型的なAFM画像（ a ）、PMMA /ガラス（ b ）、PMMA / Au NP /ガラス（ c ）。挿入図：R6G分子クラスターのラインプロファイル。 d 、 e それぞれR6G /ガラス、R6G / Au NPs /ガラス、R6G / PMMA / Au NPs /ガラスの蛍光スペクトルとPL崩壊のダイナミクス。 f R6G / PMMA /ガラスのPL減衰のダイナミクス

図4cは、PMMA / Au NP /ガラス上のR6G分子のAFM画像を示しています。 R6G分子クラスターと金ナノ粒子のサイズには大きな違いがあるため、金ナノ粒子と分子クラスターの両方を同時に観察することは困難です。ただし、分子クラスターは、PMMA /ガラスの場合と比較して、プロファイルライン（図4cの挿入図）で観察できます。

図4dに、PMMA層の厚さが異なるR6G / PMMA / Au NP /ガラス、R6G / Au NP /ガラスおよびR6G /ガラスの蛍光スペクトルをプロットします。 R6G /（PMMA）/ Au NPs /ガラスの発光強度は、R6G /ガラスの発光強度と比較して向上していることがわかります。表1の発光増強係数から、R6G / Au NPs /ガラスが約3.78の係数で最大の増強を示していることがわかります。そして、その強度は、PMMAフィルムの厚さが増すにつれて減少します。

さまざまな厚さのPMMA（530〜580 nm）でコーティングされたAu NPの吸収ピークとR6G分子（562 nm）の発光ピークを考慮すると、蛍光増強メカニズムは、スペクトルのオーバーラップ範囲と分子とナノ粒子間の分離距離に関連しています。 。分離層としての金球の表面上のPMMAとCTABの両方が、R6G分子とAuNP間の非放射エネルギー移動を低減する上で重要な役割を果たします。プラズモン共鳴は強い局所近接場効果であるため、間隔層が厚くなると、R6Gは強い局所場の範囲から徐々に離れていきます。これにより、PMMAの厚さが増すと、エンハンスメント効果が弱まります。一方、プラズモン共鳴ピークのシフトも発光強度に寄与します。 4つのサンプルの吸収スペクトル線幅は非常に広いです。それらはすべてR6Gの発光ピークをカバーしています。分離の厚さが約9nmの場合、Auナノスフェアのプラズモン共鳴ピークとR6Gの発光ピークが最もよく一致しますが、近接場が減少するため、R6Gの発光増強はPMMA層がない場合よりも強くありません。大きな分離距離でのAuナノスフェアの増強効果。したがって、AuナノスフェアとR6G分子間の分離距離は、R6G分子の発光増強に重要な役割を果たします。

図4eに示すように、強度の変化に加えて、R6G分子の蛍光寿命も検出されます。三指数関数は、表1に示す励起されたR6G分子の減衰プロセスによく適合します。図が示すように、R6G分子が金ナノ粒子に直接蒸発すると、消光により蛍光寿命が最短になります。金属の効果。スペーサー層が厚くなると、消光効果が低下し、プラズモン増強効果も弱まり、寿命が長くなります。ただし、テスト結果は、蛍光寿命がPMMAの厚さの増加に伴って延長されるのではなく、短縮されることを示しています。しかし、それらは金ナノ粒子上で直接分子寿命よりもまだ長いです。その理由を見つけるために、PMMA /ガラス基板上のR6G分子の蛍光寿命をテストしました（図4fおよび表2）。また、PMMAは分子の寿命に影響を与える可能性があり、厚さが増すと寿命が短くなることもわかっています。これは、PMMA / Au NP /ガラスの現象と一致しています。したがって、図4fの分子の寿命は延長されてから短縮されます。これは、PMMAフィルムの存在に起因します。 R6G分子がAuNPに近い場合、寿命は明らかな消光効果を示します。 PMMAフィルムの厚さが増すにつれて、PMMAフィルムのバリアと減衰効果が観察されます。

R6G分子の観測された距離依存蛍光強度を説明するために、異なるスペーサーの厚さを持つAuNPの近接場分布をFDTD法でシミュレートしました。図5a〜dに示すように、強力な電界の増強（| E / E ₀ | ² ）PMMA / CTAB / AuNPsナノ構造の表面の周りに観察されます。図5eでは、スペーサーの厚さが増すにつれて、実験的な蛍光スペクトルとシミュレートされた電界の増強係数がよく一致しています。シミュレートされた近接場増強係数は、実験で得られたものよりもはるかに大きくなります。この理由は、主に理論シミュレーションの理想的なモデルとAuNPの蛍光消光効果に起因する可能性があります。

電界増強（| E / E ₀ | ² ）λでPMMAでカバーされたAuNPの分布画像 =562 nm、スペーサーの厚さ2.5 nm（ a ）、4 nm（ b ）、9 nm（ c ）および21 nm（ d ）、白い破線の円はAuNPを表します。 e PMMAスペーサーの厚さに依存する実験的蛍光スペクトル（青）とシミュレートされた電場（黒）の増強係数

結論

要約すると、PMMAスペーサーの厚さが制御された（1.5〜21 nm）金のNP上にサブモノレイヤーR6G分子を蒸発させました。 PLスペクトルと減衰曲線を調べた。分子蛍光強度は、共鳴励起増強によって増強され、PMMAフィルムの厚さが増加するにつれて低下を示します。実験的増強係数は、主に励起分子とAu NP間の電荷移動および非放射エネルギー移動によって引き起こされる消光効果のために、FDTDシミュレーションによって得られた理論的増強係数をはるかに下回っています。さらに、異なる厚さのPMMAフィルムには、バリア効果と寿命減衰効果の両方が含まれていることに注意してください。これは、蛍光寿命測定によって確認されています。この研究は、光学イメージング、バイオテクノロジー、および材料検出の分野における実用的な金属増強蛍光アプリケーションへの道を開く可能性があります。

データと資料の可用性

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

R6G：

ローダミン6G

NP：

ナノ粒子

Au NP：

金ナノ粒子

PMMA：

ポリ（メタクリル酸メチル）

OLED：

有機発光ダイオード

TPP：

テトラフェニルポルフィリン

PL：

フォトルミネッセンス

AFM：

原子間力顕微鏡

STM：

走査型トンネル顕微鏡

CCD：

電荷結合デバイス

FDTD：

有限差分時間領域

TEM：

透過型電子顕微鏡

CTAB：

セチルトリメチルアンモニウムブロミド

SPR：

表面プラズモン共鳴