科学家发现电浆子如何放大电致发光
莱斯大学的科学家们发现了揭示信息的方法，即分子的光与纳米粒子的光相遇。
水稻化学家克里斯蒂·兰德斯和斯蒂芬·林克的实验室演示了如何优化一种方法，这种方法可以通过放大分子的光谱频率与附近的等离子体纳米颗粒重叠时发出的光来检测小分子浓度。
水稻化学家通过最大化邻近纳米粒子的发射光谱和等离子共振光谱之间的重叠来放大表面小分子浓度的光。这些发光的分子在被激发时可以用肉眼清楚地看到。杰夫·菲特洛拍摄
表面等离子体激元，即在金属纳米颗粒表面泛起涟漪的相干电子波，起着天线的作用，当它们位于粒子附近的“最佳位置”时，分子发出的光会增强10倍。
他们的技术是《化学物理杂志》特刊上一篇论文的主题，该论文关注等离子体的新兴方向。这项工作可以帮助研究人员在纳米尺度上分析催化剂和其他材料的活性表面，这是提高其效率的重要一步。
这篇论文的第一作者、莱斯大学的研究生托马斯·海德沙伊特(Thomas Heiderscheit)说，这一发现依赖于电化学发光现象(ECL)，电驱动化学反应，促使分子发光。它常被用于检测水中的重金属或生物体液中的寨卡病毒等微量物质。
以前的研究推断纳米颗粒和分子的光谱重叠会增强信号，但这些研究不能解释纳米颗粒大小和形状的先天差异，从而掩盖了这种效应。水稻研究人员已经着手将这些影响最小化，只关注光谱频率重叠对信号增强的作用。
“这项研究着眼于哪种类型的天线是最好的，因为纳米颗粒的性质决定了光谱，并与分子重叠，”Rice博士后研究助理、论文合著者米兰达·加拉格尔(Miranda Gallagher)说。“它应该是圆的还是有锋利的边缘?”它应该更小还是更大?”
莱斯大学的科学家们已经开发出一种方法，可以通过放大纳米颗粒的光谱频率与相邻的等离子体纳米颗粒重叠时发出的光，来检测纳米颗粒表面附近的小分子浓度。由Thomas Heiderscheit主持
在实验中，研究人员将金纳米球或尖尖的金纳米三角形与一种以钌为基础的染料分子相结合，这种染料分子位于一种聚合物外壳中，这种外壳可以防止分子迁移到离颗粒太远的地方。“那基本上就是我们的电极，”海德沙伊特说。“如果我们没有这种聚合物，染料分子就会自由移动，我们就会看到光在样品中扩散。”
由于分子受到聚合物的约束，他们可以清楚地看到分子在粒子附近发射。他们确定，信号增强是由染料分子和纳米球之间的大小和频率匹配以及纳米三角形的频率匹配控制的。
Heiderscheit说，单分子成像对这项新兴技术来说仍然是一个延伸。
莱斯大学的研究生Thomas Heiderscheit演示了一种放大表面小分子聚集的光的技术。杰夫·菲特洛拍摄
“本质上，我们是在想象一个表面有多活跃，”他说。“能源部(该项目的主要赞助商)关心这项研究，因为它可以实现表面反应性的超分辨率映射。“超分辨率能够捕捉到低于光的衍射极限的图像。
“例如，如果你在电池系统中有纳米颗粒，你可以使用ECL来绘制化学反应最活跃的地方，”Heiderscheit说。“你实际上是在确定什么样的纳米颗粒是一种好的催化剂，我们可以利用这个工具设计出更好的催化剂。”
论文的合著者包括莱斯大学的学生Rashad Baiyasi、Seyyed Ali Hosseini Jebeli、Alexander Al-Zubeidi和Charlotte Flatebo;博士后研究员肖恩·柯林斯和莱斯大学校友莱昂纳多·斯卡拉贝利和张维顺。兰德斯是化学、电子和计算机工程以及化学和生物分子工程的教授。林克是化学、电子和计算机工程的教授。
能源部科学办公室，基础能源科学;韦尔奇基金会和赖斯的小卷曲研究所支持了这项研究。
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