南京大学田玉玺Nat. Commun.:通过等离子体增强的单分子荧光探针在室温下超灵敏检测声学振动

导读

机械波，特别是声波，不仅在我们的日常交流中扮演着十分重要的角色，而且促进了许多先进技术的发展。由于声波可在许多非均匀介质中有效传播，基于此特点，科学家开发出了声纳系统，超声图形仪，地震探测仪等设备。因此，声波的探测是这些技术和应用的基础。

随着纳米技术的快速发展，各种各样的声波探测装备应运而生，例如微机电系统（MEMS）、纳米机电系统（NEMS）、原子力显微镜纳米悬臂粱、纳米机械质谱仪，量子光机械器件和表面声波谐振器（SAW）等，可用于检测纳米级的声学振动和位移。然而，同时实现高灵敏度检测和高时空分辨率仍是一大难题。实现兼具高灵敏度和高空间分辨率的声学振动检测具有十分重要的意义，其在高分辨率超声成像，材料缺陷的准确定位和声源的灵敏跟踪等方面不可或缺。

单分子被广泛应用于荧光探针领域，可实现高精度(1 Å)的定位与光学成像。除了分子的化学结构外，单个分子的光谱特性还很大程度上依赖于周围环境。例如，低温下，单分子的零声子线对电场，压力都非常敏感。基于这种灵敏度，已有研究成果实现了单分子对具有高灵敏度和高分辨率的弱声振动的检测。然而，这种通过光学共振的声学检测方法仅限于低温条件，严重限制了其实际应用。

成果掠影

近日，来自南京大学的田玉玺教授和莱顿大学的Michel Orrit等人在自然通讯（Nature Communications）期刊上报道了一种通过金属纳米颗粒的局部表面等离激元共振增强单分子荧光探针荧光强度的方法。由于荧光强度很大程度上取决于分子和等离子体之间的距离，因此，可以采用增强荧光强度的方法来实现高灵敏检测单分子与等离子体纳米颗粒之间的声学振动。然后，该团队通过金纳米颗粒附近的龙胆紫染料（CV）的单分子荧光信号，验证了室温下检测特定频率和振幅的声学振动的可行性。

核心创新点

1. 该工作通过等离子体增强的方法，解决了高灵敏度和高时空分辨率声学检测受限于低温环境的难题。

2.该工作制备的纳米声学探测器实现了40 nm下的高灵敏度和空间分辨率检测，可读出声源的振动频率，振幅和量子态等信息。

数据概览

图1. 用于声学振动的单分子/金纳米棒检测系统的表征

a）基于分子与纳米棒之间距离变化的纳米声学探测器示意图

b）龙胆紫（CV）分子膜的荧光强度痕量分析

c）单个CV分子的总导通状态持续时间的统计

d）金纳米棒几何尺寸的特征分布（插图：硅芯片上金纳米棒的SEM图像）

e）PMMA薄膜中CV的金纳米棒悬浮液（黄色阴影区域），吸收（蓝色实线）和荧光（红色实线）光谱的吸收光谱

图2. 声学振动的实验检测

a）实验系统布置示意图（插图：CV分子的荧光图像）

b）在谐振频率下以0.02-0.5 V的移位电压驱动时，荧光强度迹线的快速傅里叶变换（FFT）

c）FFT幅值作为驱动电压的函数

图3. 音叉的位移与驱动电压的函数关系表征

a）在没有驱动电压的情况下音叉的明场图像

b）在驱动电压为15 V的谐振下音叉振动的明场图像

c）在驱动电压为15 V和没有驱动电压时，音叉的位移偏移

d）谐振频率为32.717 kHz时，音叉位移随驱动电压的变化

图4.单分子荧光增强因子作为分子尖端距离的函数计算

a）金纳米棒尖端的激发增强强度（Fexc） 与垂直距离 （R）的函数关系

b）发射增强强度（Fem） 与分子尖端距离 （R）的函数关系

c）总荧光增强（Ftot） 与分子尖端距离 （R) 的函数关系

d）总荧光增强（Ftot）的一阶导数 与分子尖端距离 （R) 的函数关系

成果展示

研究报告了一种通过等离子体增强单分子荧光探针的荧光强度，实现在室温下高灵敏度和高时空分辨率的声学振动检测。研究所制造的40 nm小尺寸纳米声学探测器实现了高灵敏度和空间分辨率，可以放置在声源，纳米机电系统附近，以读出它们的振动频率，振幅和量子态。纳米声学探测器的方向灵敏度实现了准确定位和跟踪声源的功能。

文献链接

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

DOI：10.1038/s41467-022-30955-8