Spectroscopie améliorée de surface - SERS et SEF

Les nanoparticules métalliques plasmoniques – notamment l’or, l’argent et le platine – sont très efficaces pour absorber et diffuser la lumière. En modifiant la taille, la forme et la composition des nanoparticules, la réponse optique peut être ajustée depuis l'ultraviolet jusqu'aux régions visibles et proches de l'infrarouge du spectre électromagnétique.

La réponse spectrale unique des nanoparticules d’argent et d’or s’explique par le fait que des longueurs d’onde spécifiques de la lumière peuvent faire osciller collectivement les électrons de conduction du métal, un phénomène connu sous le nom de résonance plasmonique de surface. À la longueur d'onde de résonance du plasmon, les nanoparticules agissent comme de minuscules antennes, augmentant considérablement l'intensité du champ électromagnétique local sur et à proximité de la surface des particules. Ce module décrit comment ces champs de haute intensité associés à la résonance plasmonique de surface peuvent interagir avec des molécules proches de la surface des nanoparticules pour produire des signaux Raman ou de fluorescence améliorés. 

En fonction de la disposition entre les nanoparticules et les molécules, la fluorescence ou le signal Raman peut être amélioré, comme indiqué ci-dessous. Par exemple, la fixation d’une molécule de colorant directement à la surface d’une nanoparticule métallique entraîne généralement une extinction de la fluorescence due au transfert d’énergie entre le fluorophore et le métal. Le spectre Raman de la molécule peut cependant être fortement amélioré en raison du champ électromagnétique élevé à la surface de la particule. À l’inverse, éloigner légèrement le fluorophore de la surface des particules empêche l’extinction de la fluorescence mais peut conduire à une augmentation significative de l’émission de la molécule.

Fluorescence améliorée en surface (SEF)

Bien que les molécules fluorescentes soient parmi les réactifs de biodétection les plus populaires, elles présentent des inconvénients importants, notamment de faibles sections efficaces optiques qui rendent les fluorophores individuels difficiles à détecter, et une mauvaise photostabilité qui peut dégrader l'émission, compliquant la détection et la quantification. La fluorescence améliorée en surface (SEF) est un phénomène observé pour la première fois dans les années 1970 et qui se produit lorsqu'un fluorophore est placé à proximité de champs électromagnétiques élevés à la surface d'une nanoparticule métallique plasmonique, augmentant ainsi l'intensité de l'émission du fluorophore de plusieurs ordres de grandeur. L'amélioration peut être attribuée à deux effets : 1) la focalisation de la lumière entrante en raison des grandes sections efficaces d'absorption et de diffusion de la particule plasmonique et 2) une diminution de la durée de vie de fluorescence du fluorophore qui permet à l'état excité de revenir à l'état fondamental à une fréquence plus élevée.

Nous avons créé des nanotags hautement fluorescents à l'aide d'une particule plasmonique centrale entourée d'une coque de silice contenant une molécule fluorescente, illustrée ci-dessous. Lorsqu'elle est observée à l'aide d'un microscope à fluorescence, chaque particule est brillante et présente une bonne photostabilité, ce qui les rend utiles dans le marquage et l'étiquetage fluorescents, les analyses et d'autres applications.  

L’effet SEF est plus prononcé lorsque la résonance plasmonique de la nanoparticule métallique coïncide spectralement avec l’absorbance/émission du fluorophore près de la surface. La modification de la taille et de la forme de la nanoparticule a un effet considérable sur les propriétés optiques, permettant à la résonance du plasmon d'être déplacée dans les régions visibles et proches de l'infrarouge du spectre pour améliorer une variété de fluorophores différents. La figure ci-dessous montre comment l’émission des molécules de colorant fluorescéine varie en fonction de la taille du noyau d’argent – ​​et donc de la longueur d’onde de résonance du plasmon de la particule –. La résonance plasmonique des noyaux d'argent de 70 nm de diamètre chevauche fortement l'absorbance et l'émission du colorant, ce qui entraîne le plus haut niveau d'amélioration de la luminosité.

Spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS)

La spectroscopie Raman peut être utilisée pour identifier des molécules par leurs modes vibrationnels uniques. Alors que la diffusion Raman intrinsèque des photons des molécules est faible et nécessite de longs temps de mesure pour obtenir un spectre Raman, la diffusion Raman améliorée en surface (SERS) à partir de molécules proches de la surface des nanoparticules métalliques plasmoniques offre le potentiel d'intensités comparables à celles des étiquettes fluorescentes. L'effet SERS peut améliorer la diffusion Raman des molécules liées jusqu'à 14 ordres de grandeur, permettant la détection même de molécules uniques ! L’amélioration est due aux intensités élevées du champ électrique (ou « points chauds ») créées à certains endroits de la surface des nanoparticules et dépend donc fortement de la géométrie des nanoparticules, des caractéristiques de la surface et de la position spécifique de la molécule.

Comme pour l’effet SEF, l’amélioration Raman la plus élevée est généralement obtenue lorsqu’il existe un bon chevauchement entre la longueur d’onde du laser d’excitation, la longueur d’onde de résonance plasmonique de la nanoparticule et les propriétés optiques de l’analyte. Ci-dessous, le signal Raman du colorant vert malachite en solution (ligne rouge) et adsorbé sur des nanoparticules d'or (ligne bleue).

Les applications SERS basées sur les nanoparticules comprennent les applications de diagnostic, d'identification des matériaux, de marquage biologique et de sécurité. 

Ressources supplémentaires

Littérature recommandée

  1. Qian, X. M. et Nie, S. M. « SERS à molécule unique et à nanoparticule unique : des mécanismes fondamentaux aux applications biomédicales. » Chimie. Soc. Rév.37(5), 912-920 (2008).
  2. Cao, Y. C., Jin, R. et Mirkin, C. A. « Nanoparticules avec empreintes spectroscopiques Raman pour la détection de l'ADN et de l'ARN. » Science297(5586), 1536-1540 (2002).
  3. Aslan, K., Wu, M., Lakowicz, J. R. et Geddes, C. D. "Noyau fluorescent - coque Ag @ SiO2 nanocomposites pour la fluorescence améliorée par les métaux et les plates-formes de détection de nanoparticules uniques. Soc. Am. Chim. J.129(6), 1524-1525 (2007).
  4. Chen, Y., Munechika, K. et Ginger, DS "Dépendance de l'intensité de fluorescence sur le chevauchement spectral entre les fluorophores et les nanoparticules d'argent uniques résonantes du plasmon." Nano Lett.7(3), 690-696 (2007).
  5. Liu, N., Prall, BS et Klimov, VI "Superstructures hybrides or/silice/nanocristal-quantum-dot : synthèse et analyse des interactions semi-conducteur-métal." J. Suis. Chimique. Soc.128(48), 15362-15363 (2006).
  6. Shin, H. ; Oh, S. ; Kang, D. ; Choi, Y. "Quantification et imagerie des protéines par spectroscopie Raman améliorée en surface et analyse de similarité"Adv. Sci., 1903638 , 1-9 (2020).
  7. Shin, H. ; Oh, S. ; Hong, S. ; Kang, M. ; Kang, D. ; Ji, Y. ; Choi, BH ; Kang, KW ; Jeong, H. ; Parc, Y. ; Hong, S. ; Kim, Hong Kong ; Choi, Y. "Diagnostic du cancer du poumon à un stade précoce par analyse spectroscopique basée sur l'apprentissage profond des exosomes en circulation" ACS Nano, Just Accepted (2020).

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