南京大學田玉璽Nat. Commun.:通過等離子體增強的單分子熒光探針在室溫下超靈敏檢測聲學振動

導讀

機械波，特別是聲波，不僅在我們的日常交流中扮演著十分重要的角色，而且促進了許多先進技術的發展。由于聲波可在許多非均勻介質中有效傳播，基于此特點，科學家開發出了聲納系統，超聲圖形儀，地震探測儀等設備。因此，聲波的探測是這些技術和應用的基礎。

隨著納米技術的快速發展，各種各樣的聲波探測裝備應運而生，例如微機電系統（MEMS）、納米機電系統（NEMS）、原子力顯微鏡納米懸臂粱、納米機械質譜儀，量子光機械器件和表面聲波諧振器（SAW）等，可用于檢測納米級的聲學振動和位移。然而，同時實現高靈敏度檢測和高時空分辨率仍是一大難題。實現兼具高靈敏度和高空間分辨率的聲學振動檢測具有十分重要的意義，其在高分辨率超聲成像，材料缺陷的準確定位和聲源的靈敏跟蹤等方面不可或缺。

單分子被廣泛應用于熒光探針領域，可實現高精度(1 ?)的定位與光學成像。除了分子的化學結構外，單個分子的光譜特性還很大程度上依賴于周圍環境。例如，低溫下，單分子的零聲子線對電場，壓力都非常敏感。基于這種靈敏度，已有研究成果實現了單分子對具有高靈敏度和高分辨率的弱聲振動的檢測。然而，這種通過光學共振的聲學檢測方法僅限于低溫條件，嚴重限制了其實際應用。

成果掠影

近日，來自南京大學的田玉璽教授和萊頓大學的Michel Orrit等人在自然通訊（Nature Communications）期刊上報道了一種通過金屬納米顆粒的局部表面等離激元共振增強單分子熒光探針熒光強度的方法。由于熒光強度很大程度上取決于分子和等離子體之間的距離，因此，可以采用增強熒光強度的方法來實現高靈敏檢測單分子與等離子體納米顆粒之間的聲學振動。然后，該團隊通過金納米顆粒附近的龍膽紫染料（CV）的單分子熒光信號，驗證了室溫下檢測特定頻率和振幅的聲學振動的可行性。

核心創新點

1. 該工作通過等離子體增強的方法，解決了高靈敏度和高時空分辨率聲學檢測受限于低溫環境的難題。

2.該工作制備的納米聲學探測器實現了40 nm下的高靈敏度和空間分辨率檢測，可讀出聲源的振動頻率，振幅和量子態等信息。

數據概覽

圖1. 用于聲學振動的單分子/金納米棒檢測系統的表征

a）基于分子與納米棒之間距離變化的納米聲學探測器示意圖

b）龍膽紫（CV）分子膜的熒光強度痕量分析

c）單個CV分子的總導通狀態持續時間的統計

d）金納米棒幾何尺寸的特征分布（插圖：硅芯片上金納米棒的SEM圖像）

e）PMMA薄膜中CV的金納米棒懸浮液（黃色陰影區域），吸收（藍色實線）和熒光（紅色實線）光譜的吸收光譜

圖2. 聲學振動的實驗檢測

a）實驗系統布置示意圖（插圖：CV分子的熒光圖像）

b）在諧振頻率下以0.02-0.5 V的移位電壓驅動時，熒光強度跡線的快速傅里葉變換（FFT）

c）FFT幅值作為驅動電壓的函數

圖3. 音叉的位移與驅動電壓的函數關系表征

a）在沒有驅動電壓的情況下音叉的明場圖像

b）在驅動電壓為15 V的諧振下音叉振動的明場圖像

c）在驅動電壓為15 V和沒有驅動電壓時，音叉的位移偏移

d）諧振頻率為32.717 kHz時，音叉位移隨驅動電壓的變化

圖4.單分子熒光增強因子作為分子尖端距離的函數計算

a）金納米棒尖端的激發增強強度（Fexc） 與垂直距離 （R）的函數關系

b）發射增強強度（Fem） 與分子尖端距離 （R）的函數關系

c）總熒光增強（Ftot） 與分子尖端距離 （R) 的函數關系

d）總熒光增強（Ftot）的一階導數 與分子尖端距離 （R) 的函數關系

成果展示

研究報告了一種通過等離子體增強單分子熒光探針的熒光強度，實現在室溫下高靈敏度和高時空分辨率的聲學振動檢測。研究所制造的40 nm小尺寸納米聲學探測器實現了高靈敏度和空間分辨率，可以放置在聲源，納米機電系統附近，以讀出它們的振動頻率，振幅和量子態。納米聲學探測器的方向靈敏度實現了準確定位和跟蹤聲源的功能。

文獻鏈接

Nature Communications：Ultrasensitive detection of local acoustic vibrations at room temperature by plasmon-enhanced single-molecule fluorescence

DOI：10.1038/s41467-022-30955-8