Poster Poznań - Optics of Hybrid Nanostructures

Wzbudzenie plazmonowe jako metoda kontroli
fluorescencji kompleksów fotosyntetycznych
N. Czechowskia), P. Nygab), R. Litvina), T.H.P. Brotosudarmoc),
H. Scheerc), S. Maćkowskia)
a)Instytut
Fizyki, Uniwersytet Mikołaja Kopernika; b) Wojskowa Akademia Techniczna;
c) Ludwig-Maximilian-University, Niemcy.
Motywacja
Kompleksy fotosyntetyczne z chlorofilem występują we wszystkich
roślinach zielonych, a takŜe w wielu algach i bakteriach. UŜywane są
przez te organizmy do pozyskiwania energii słonecznej i zamiany jej na
substancje pokarmowe.
W niniejszej pracy skupiam się na pokazaniu iŜ moŜliwe jest
kontrolowania fluorescencji układów fotosyntetycznych za pomocą
rezonansu plazmonowego metalicznych nanocząsteczek.
Rezonans plazmonowy i jego wpływ na fluorescencję
Plazmon - kolektywna oscylacja swobodnych
elektronów w przewodniku.
W przypadku struktur o bardzo małych
rozmiarach obserwujemy rezonans - obrazek 1.
Jeśli rezonans zajdzie w pobliŜu fluoroforu,
będzie miał wpływ na jego fluorescencję [2].
E – absorpcja energii,
Γ – emisja promienista,
Obrazek 1. [1]
knr – przejścia niepromieniste (straty).
Obrazek 3.
Obrazek 2.
Przygotowanie próbek
Roztwór PCP nakropiono na podłoŜe SIF.
Dzięki temu iŜ jest ono pokryte SiO2 o grubości
25nm znamy odległość białek do powierzchni
srebrnych wysp (obrazek 10), co jak wiemy ma
wpływ na wzmocnienie fluorescencji.
Obrazek 10.
Pomiary widm wzbudzenia
Pomiarów dokonano dla emisji 690nm
(która wynika z widma emisji Acetylo Chlorofilu).
Wynik tych pomiarów widać na obrazku 11.
Z widma wzbudzenia PCP na warstwie
srebrnych wysp widać iŜ wzmocnienie
fluorescencji nastąpiło w miejscu gdzie
następuje rezonans plazmonowy
Obrazek 11.
srebrnych wysp.
Pomiary czasowo zaleŜne
mierzono krzywe zaniku fluorescencji dla trzech róŜnych pobudzeń:
405nm, 485nm i 640nm, Krzywe zaniku dla tych trzech pobudzeń widać
odpowiednio na obrazkach 12, 13 i 14. Wyznaczone czasy zaników
umieszczone są w tabeli 1.
Procesy z indeksem m (Em, Γm, km) - zmiany w obecności metalu [3].
Intensywność fluorescencji γ:
Γ+Γ
q=
γ = ( E + Em ) × q
m
Γ + Γm + k nr + k m
Czas Ŝycia fluorescencji:
Obrazek 12.
τ = (Γ + Γm + k nr + k m ) −1
Wiemy Ŝe wpływ na te zmiany ma odległość
pomiędzy nanocząsteczką a fluoroforem,
Co widać na obrazku 4 [4].
Obrazek 4.
Próbki
Silver Island Film (SIF) to cienka, niejednorodna i chropowata warstwa
srebra, napylona próŜniowo. Jej grubość to 7.5nm, dzięki czemu tworzą
się srebrne, nanometrowe wyspy, w których dochodzi do rezonansu
plazmonowego (Obraz z SEM - obrazek 5, widmo absorpcji SIFobrazek 6, widmo absorpcji próbki z SiO2 – obrazek 7).
Obrazek 5 [5].
Obrazek 6.
Obrazek 7.
PCP – Peridinin-Chlorophyll-Protein Complex to występujący w algach
kompleks fotosyntetyczny (obrazek 8 i obrazek 9)[6].
Obrazek 8.
Obrazek 9.
Pobudzenie
405nm
485nm
640nm
Na szkle
3,97ns
4,36ns
6,06ns
Obrazek 13.
Na SIF
3,78ns
4,13ns
5,35n
Obrazek 14.
Długości fali światła pobudzającego
dobrane zostały nieprzypadkowo,
tak aby pobudzać molekułę
dla trzech interesujących nas energii.
Tabela 1
Pobudzenie za pomocą lasera 405nm powoduje wzbudzenie
karotenoidów w cząsteczce PCP, które wibracyjnie przekazują energię do
chlorofilu, pobudzenie plazmonu w SIF oraz bezpośrednie pobudzenie
chlorofilu. Przy wzbudzeniu 485nm wzbudzone zostają głównie
karotenoidy, a przy 640nm bezpośrednio pobudzony zostaje niemalŜe
tylko chlorofil.
Podsumowanie
Obecność srebrnych wysp na podłoŜu, na które naniesiono PCP zmienia
intensywność fluorescencji. Jak wynika z analizy przedstawionych
pomiarów obecność metalicznych nanocząstek zwiększa przede
wszystkim prawdopodobieństwo wzbudzenia (E + Em) karotenoidów w
PCP, jednakŜe ma takŜe wpływ na resztę procesów, gdyŜ zmieniają się
czasy zaniku (są krótsze, zatem prawdopodobieństwo emisji (Γ + Γm) się
zwiększa).
[1] http://www.os-cs.de/research.html
[2] P. Anger et al., Phys. Rev. Lett. 96,113002 (2006).
[3] J. R. Lakowicz, “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, New York,
Springer Science+Buisness Media, 2006.
[4] P. Bharadwaj et al., Nanotechnology 18, 044017 (2007).
[5] P. Nyga, et al, App. Phys. B 93, 59 (2008).
[6] S. Mackowski, et al., Nano Lett. 8, 558 (2008).
Praca zrealizowana w ramach programu WELCOME finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej
„Hybrid nanostructures as a stepping stone towards efficient artificial photosynthesis”.
Więcej informacji na stronie: welcome.fizyka.umk.pl