Sondas y actuadores ópticos basados en … · biosensores Nano-actuadores Seminario Tandar. Marzo...

Seminario Tandar. Marzo 2007

Sondas y actuadores ópticos basados en nanopartículas metálicas

Andrea Bragas

Laboratorio de Electrónica CuánticaDepartamento de Física

FCEyNUniversidad de Buenos Aires


Nanopartículas como sondas para SNOMNanopartículasNanopartículas como sondas para SNOMcomo sondas para SNOM

Nanopartículas como modificadores del medioNanopartículasNanopartículas como modificadores del mediocomo modificadores del medio

Nanopartículas como sensores del medioNanopartículasNanopartículas como como sensoressensores del mediodel mediobiosensores

Nanoactuadores

biosensores

Nano-actuadores


Campo electromagnético intensificado y confinado alrededor de objetos nanométricos

Plasmones superficiales localizados

Excitación de los e- del plasma en un metal con geometrías confinadas

biosensores SERS

ωh

0ωω hh ±

Nano-ópticaNanoNano--ópticaóptica

biosensores

Nano-actuadores


Propiedades ópticas de nanopartículas esféricasPlasmones

Propiedades ópticas de Propiedades ópticas de nanopartículasnanopartículas esféricasesféricasPlasmonesPlasmones

Polarizabilidad

m

m

( )( )( ) 2ε ω − ε

α ω ∝ε ω + ε

Resonancia

mε+ ++ ++

-----

E+ ++ ++

-----

k ( )

400 450 500 550 600 650 700-15

-10

-5

0

0.0

0.2

0.4

0.6

ε2

ε1

λ[nm]

Función dieléctrica del oro

m ( ) 2ε ω = − ε forif

Aproximación cuasi-estacionaria+ ε(ω)

biosensores

Nano-actuadores




Polarizabilidad

m

m

( )( )( ) 2ε ω − ε

α ω ∝ε ω + ε

Resonancia

mε+ ++ ++

-----

E+ ++ ++

-----

k ( )

m ( ) 2ε ω = − ε forif

Aproximación cuasi-estacionaria+ ε(ω)

400 450 500 550 600 650 700

I Sca [a

.u.]

λ[nm]

Au 60 nm

biosensores


400 450 500 550 600 650 700

I Sca [a

.u.]

λ[nm]

Au 60 nmScattering para marcado

Una partícula de oro de 60nmdispersa como 100.000 moléculas fluorescentes de fluoresceína

Ag es alrededor de 10 veces más brillante que Au

No tóxica?

Marcador de gran duración?



biosensores


400 450 500 550 600 650 700

I Sca [a

.u.]

λ[nm]

Au 60 nm

Desventaja

No existe corrimiento entre la longitud de onda de excitación y dispersión



biosensores


x [nm]

y [n

m]

10 20 30 40 50 60 70 80

10

20

30

40

50

60

70

80

Dímero de OroDiámetro: 20 nmS eparación: 30 nmP olarizacion: P aralelaL. Onda: 532 nm

E

Propiedades ópticas de dímeros de oroPropiedadesPropiedades ópticasópticas de de dímerosdímeros de de orooro

biosensores


λ =532 nm

Dímero de oro, 20nm diámetro

0 30 60 9010

20

30

40 distance = 26 nm

Cex

t (10

-15 cm

2 )

angle (degree)0 30 60 90

10

20

30

40 distance = 22 nm

Cex

t (10

-15 cm

2 )

angle (degrees)

Aplicaciones: medidas de distancia y orientaciónAplicaciones: medidas de distancia y orientaciónAplicaciones: medidas de distancia y orientación

Hernán E. Grecco, Oscar E. Martínez, Optics Express, Vol. 14, Issue 19, pp. 8716-8721 (September 2006)

biosensores


1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Dis tance / Diameter

Ani

sotro

py

Gold dimerRadius : 10 nm.λ: 532 nm.

Hernán E. Grecco, Oscar E. Martínez, Optics Express, Vol. 14, Issue 19, pp. 8716-8721 (September 2006)

Aplicaciones: medidas de distancia y orientaciónAplicaciones: medidas de distancia y orientaciónAplicaciones: medidas de distancia y orientación


Microscopio óptico por intensificación de campoFESOM

Microscopio óptico por intensificación de campoMicroscopio óptico por intensificación de campoFESOMFESOM

FESOM

A.V. Bragas and O. E. Martínez. Optics Letters, 25 (9), pg. 631-633, 2000.


NanoRaman y NanoPLNanoRamanNanoRaman y y NanoPLNanoPL

FESOM

A.V. Bragas and O. E. Martínez. Optics Letters, 25 (9), pg. 631-633, 2000.

Microscopio óptico por intensificación de campoFESOM

Microscopio óptico por intensificación de campoMicroscopio óptico por intensificación de campoFESOMFESOM


NanoRaman. Espectroscopía vibracionalNanoRamanNanoRaman. . EspectroscopíaEspectroscopía vibracionalvibracional

Novotny, Rochester, USA

Especificidad químicaNo se necesita marcadoSeñales ópticas intensificadas

Intensidadintensificada

Ramanintensificado

A. Hartschuh, E. J. Sanchez, X. S. Xie, and Lukas Novotny Phys. Rev. Lett. 90, 95503, 2003.


Nanoesferas de plata5 nm diámetro (en aire)

Propiedades ópticas de dímeros de AgPropiedadesPropiedades ópticasópticas de de dímerosdímeros de Agde Ag


Puntas basadas en nanopartículasPuntasPuntas basadasbasadas en en nanopartículasnanopartículas

Esferas de silica decoradas con nanopartículasIntensificación controlada

SiO2 170nmAg 5nm


SiO2 170nmAg 5nm


Esferas de silica decoradas con nanopartículasIntensificación controlada


1µm

1µm

AFM. TEM, SEM images CMA

gold in carbon



(a)

Puntas basadas en nanopartículasPuntasPuntas basadasbasadas en en nanopartículasnanopartículasGeneración de fuente brillante de luz blanca

130 mW

biosensores

Nano-actuadores


Propiedades ópticas de otras geometríasPropiedadesPropiedades ópticasópticas de de otrasotras geometríasgeometríasNanoRods

Payne EK, Shuford KL, Park S, Schatz GC, Mirkin CA, J Phys Chem B 110 : 2150, 2006 Hao E. and Schatz GC, J Chem Phys 120: 357, 2004

biosensores

Nano-actuadores


Crescent-shaped

J. Shumaker-Parry, H. Rochholz, M. Kreiter. Advanced Materials 17, 2131 (2005)

Propiedades ópticas de otras geometríasPropiedadesPropiedades ópticasópticas de de otrasotras geometríasgeometrías

biosensores

Nano-actuadores


NanoRice

Wang H, Brandl DW, Le F, Nordlander P, Halas NJ, Nanoletters 6, 827, 2006

Propiedades ópticas de otras geometríasPropiedadesPropiedades ópticasópticas de de otrasotras geometríasgeometrías

Nano-actuadores


C. Pitsillides et al, Biophysical Journal 84, 4023 (2003)

Targeting selectivo de célulasTargeting Targeting selectivoselectivo de de célulascélulasDañoDaño localizadolocalizado de de célulascélulas

Láseres pulsados de alta potencia, Enormes cambios en temperatura, miles de Kelvin

Nano-actuadores


Pueden las nanopartículas manejar pequeños cambios controlados de temperatura?

Cómo es la transferencia de calor en la nanoescala?

Pueden las Pueden las nanopartículasnanopartículas manejar pequeños cambios manejar pequeños cambios controlados de temperatura?controlados de temperatura?

Cómo es la transferencia de calor en la Cómo es la transferencia de calor en la nanoescalananoescala??

Nano-actuadores


Fonones acústicosFononesFonones acústicosacústicos

Nano-actuadores


ωl,n’=ωl,n+i∆ωl,n= vL /R ξ l,n

muy sensibles al medio

Fonones acústicosFononesFonones acústicosacústicos

Nano-actuadores


RamanRamanRaman

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Inte

nsity

(arb

.uni

ts)

Raman shift (cm-1)

λ = 458 nm

λ = 514 nm

400 450 500 550 600 650

1x10-13

2x10-13

3x10-13514 nm458 nm

Extin

ctio

n cr

oss

sect

ion

(cm

2 )

Wavelength (nm)

Ag, diam promedio 5nm

Nano-actuadores


10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Raman shift (cm-1)

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

40 mW

30 mW

20 mW

10 mW

5 mW

RamanRamanRaman

aumentando potencia

AFM images, CMANano Raman !


Eduardo Luzzi

Darío Kunik

Laura Estrada

José Cordero Maxi Crespo

Alberto Scarpettini

Andrés Adjimann

Hernán Grecco

Valeria Levi

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Yanil Dall’Asén

Oscar Martínez

Martin Masip

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