Plasmonique et Nanophotonique

Les nanoparticules plasmoniques sont des nanoparticules métalliques discrètes qui possèdent des propriétés optiques uniques et sont de plus en plus incorporées dans des produits et technologies commerciaux. Ces technologies, qui couvrent des domaines allant du photovoltaïque aux capteurs biologiques et chimiques, tirent parti de l’extraordinaire efficacité des nanoparticules plasmoniques d’or et d’argent pour absorber et diffuser la lumière. De plus, contrairement à la plupart des colorants et pigments, les nanoparticules plasmoniques ont une couleur qui dépend de leur taille et de leur forme et peuvent être ajustées pour optimiser les performances des applications individuelles sans modifier la composition chimique du matériau.

Figure 1 : (à gauche) Nanoparticules d'or et d'argent de différentes tailles et formes. De gauche à droite : nanosphères d'argent 80 nm, nanosphères d'argent 20 nm, nanosphères d'or 40 nm, nanosphères d'or 12 nm, nanoplaques d'argent 200 nm, nanoplaques d'argent 120 nm, nanoplaques d'argent 60 nm. (À droite) Les nanoparticules plasmoniques peuvent simultanément avoir de grandes sections efficaces d’absorption et de diffusion. Ici, les particules absorbent la lumière verte et rouge, faisant apparaître la lumière transmise en bleu, et diffusent la lumière rouge, faisant apparaître la lumière diffusée en rouge.

NanoComposix a développé un certain nombre de technologies tirant parti des nanomatériaux plasmoniques et photoniques. Ces technologies comprennent des étiquettes à diffusion Raman améliorée par surface ultra brillante (SERS) pour la cytométrie multiplexée et multiparamétrique, des nanoétiquettes à fluorescence améliorée par surface (SEF) pour la détection ultrasensible de biomolécules et une nouvelle classe de matériaux thérapeutiques photothermiques. De plus, nous développons des technologies pour améliorer les performances des cellules photovoltaïques et des guides d'ondes photoniques.

Pour plus d’informations sur les technologies plasmoniques et nanophotoniques de nanoComposix, veuillez nous contacter à info@nanocomposix.com, appelez-nous au (858) 565-4227 ou découvrez nos matériaux plasmoniques ci-dessous.

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Qu'est-ce qu'un plasmon de surface ?

Les propriétés optiques remarquables des matériaux plasmoniques sont dues au fait que les électrons de conduction à la surface des nanoparticules subissent une oscillation collective lorsqu'ils sont excités par la lumière à des longueurs d'onde spécifiques (Figure 2, à gauche). Cette oscillation, connue sous le nom de résonance plasmonique de surface (SPR), entraîne une diffusion et une absorption inhabituellement fortes de la lumière. En fait, les nanoparticules plasmoniques peuvent avoir des sections efficaces optiques jusqu'à 10 fois plus grandes que leurs sections efficaces physiques, ce qui permet d'imager des nanoparticules individuelles à l'aide de la microscopie à fond noir (Figure 2, au milieu, à droite). Vous souhaitez en savoir plus ? Veuillez consulter notre didacticiel Plasmonics dans notre base de connaissances.

 

Figure 2 : (à gauche) Schéma de la résonance plasmonique de surface où les électrons à conduction libre dans la nanoparticule métallique sont entraînés en oscillation en raison d'un fort couplage avec la lumière incidente. (Milieu) Image de microscopie en champ sombre de nanoparticules d’or de 50 nm. (À droite) Image de microscopie en champ sombre de nanoparticules d'argent de 60 nm.

Applications

Les nanoparticules plasmoniques ont de nombreuses applications, notamment :

  • Applications diagnostiques : Les nanosphères d'or et d'argent sont utilisées comme réactifs dans de nombreux tests (y compris les tests à flux latéral) où les nanoparticules sont utilisées pour une détection qualitative ou quantitative.
  • Applications de biodétection et de détection chimique : les nanoparticules plasmoniques, notamment les nanosphères d'or et d'argent et les nanoplaques d'argent, peuvent être utilisées pour créer des étiquettes à diffusion Raman améliorée en surface (SERS) pour une biodétection hautement multiplexée.1-3et des étiquettes à fluorescence améliorée en surface (SEF, parfois appelée fluorescence améliorée par métal, MEF) pour la détection ultrasensible4. Les particules peuvent également être conçues pour détecter des concentrations ultrafaibles d’agents chimiques en améliorant le signal de diffusion Raman intrinsèque jusqu’à 14 ordres de grandeur.
  • Applications optiques/Récolte de la lumière : Les nanosphères d'or et d'argent, les nanoplaques d'argent et les nanofils d'argent sont utilisés comme antennes optiques à l'échelle nanométrique pour améliorer la récupération de la lumière dans les cellules solaires et autres appareils.5.
  • Thérapeutique : Les nanoparticules plasmoniques sont utilisées pour l'ablation thermique des tumeurs, où l'efficacité d'absorption extrêmement élevée des nanoparticules entraîne un chauffage rapide des particules qui peut détruire sélectivement les cellules cancéreuses ciblées.

Description détaillée des propriétés optiques des nanoparticules plasmoniques

NanoXact et BioPure Silver Nanospheres : les propriétés optiques des nanosphères d'argent sont fonction du diamètre des nanoparticules. À mesure que le diamètre augmente, le pic d'extinction (diffusion + absorption) se déplace vers des longueurs d'onde plus longues et s'élargit, et l'albédo des nanoparticules (un rapport entre la diffusion et l'extinction totale) augmente (Figure 3). Aux diamètres supérieurs à 80 nm, un deuxième pic devient visible à des longueurs d'onde plus courtes que le pic principal. Ce pic secondaire est dû à une résonance quadripolaire qui présente un modèle d'oscillation électronique différent de celui de la résonance dipolaire primaire.

Figure 3 : (À gauche) Spectres d'extinction (la somme de la diffusion et de l'absorption) des nanoparticules d'argent NanoXact avec des diamètres allant de 10 à 100 nm à des concentrations massiques de 0,02 mg/mL. Les nanoparticules BioPure ont des densités optiques 50 fois supérieures. (À droite) Graphique de l'albédo des nanosphères d'argent (rapport entre la diffusion et l'extinction totale) en fonction du diamètre des nanoparticules.

Nanoplaques d'argent : les propriétés optiques des nanoplaques d'argent sont fonction du rapport d'aspect (longueur : largeur), les plaques avec des rapports d'aspect plus grands ayant des pics à des longueurs d'onde plus longues. En contrôlant avec précision le diamètre et l’épaisseur de la plaque, la résonance optique de la nanoplaque peut être réglée pour atteindre un pic à des longueurs d’onde spécifiques dans les régions spectrales du visible et du proche infrarouge (Figure 4). Cela permet aux plaques d'être réglées pour interagir avec des lignes laser spécifiques, notamment les lasers à 532 nm, 632,8 nm, 660 nm, 785 nm, 808 nm et 1 064 nm.

Figure 4 : (à gauche) Spectres d'extinction de nanoplaques d'argent avec différents rapports d'aspect. (À droite) Image TEM de nanoplaques d'argent.

NanoXact et BioPure Gold Nanospheres : Les propriétés optiques des nanosphères d'or sont fonction du diamètre des nanoparticules. À mesure que le diamètre augmente, la résonance maximale du plasmon se déplace vers des longueurs d'onde plus longues et s'élargit, et l'albédo des nanoparticules (un rapport entre la diffusion et l'extinction totale) augmente (Figure 5). De plus, à mesure que les particules grossissent, le pic de diffusion des particules se déplace vers des longueurs d'onde plus longues que le pic d'absorption (cela peut être observé en modélisant des nanosphères d'or de différentes tailles à l'aide de notre simulateur de théorie de Mie en ligne ).

Figure 5 : (À gauche) Spectres d'extinction (la somme de la diffusion et de l'absorption) des nanoparticules d'or NanoXact avec des diamètres allant de 10 à 100 nm à des concentrations massiques de 0,05 mg/mL. Les nanoparticules BioPure ont des densités optiques 20 fois supérieures. (À droite) Graphique de l'albédo des nanosphères d'or (un rapport entre la diffusion et l'extinction totale) en fonction du diamètre des nanoparticules.

Les références

  1. D.S. Sebba, D.A. Watson, J.P. Nolan. Spectroscopie de nanoparticules uniques à haut débit. ACS Nano, 2009, 3 (6) 1477-1484.
  2. R.T. Hill, J.J. Mock, D.S. Sebba, S.J. Oldenbourg, S.Y. Chen, A.A. Lazarides, A. Chilkoti, D.R. Forgeron. Tirer parti des modes plasmoniques à l’échelle nanométrique pour obtenir une amélioration reproductible de la lumière. Nano Lettres, 2010, 10 (10) 4150-4154.
  3. Willets, K.A. et R.P. Van Duyne, Spectroscopie et détection de résonance plasmonique de surface localisée. Revue annuelle de chimie physique, 2007, 58 (1) 267-297.
  4. J.R. Lakowicz, CD. Geddes, I. Gryczynski, J. Malicka, Z. Zhang, R. Badugu, J. Huang. Progrès dans la fluorescence améliorée en surface. Journal de fluorescence, 2004, 14 (4) 425-441.
  5. A.P. Kulkarni, K.M. Personne, K. Munechika, S.R. Guyer, DS Ginger. Génération de porteurs de charge améliorée par plasmon dans des films photovoltaïques organiques à l'aide de nanoprismes d'argent. Nano Lettres, 2010, 10 (4) 1501-1505.
  6. DP O'Neal, LR Hirsch, NJ Halas, JD Payne, JL West. Ablation photo-thermique de tumeurs chez la souris à l'aide de nanoparticules absorbant le proche infrarouge. Journal des lettres sur le cancer, 2004, 209, 171-176.

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