Enhancing Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy with Simple and Robust Hybrid Nanoapertures

等离子体子 材料科学 光电子学 纳米光子学 光谱学 荧光 拉曼光谱 表面增强拉曼光谱 纳米技术 光学 物理 拉曼散射 量子力学
作者
Abhay Kotnala,Hongru Ding,Yuebing Zheng
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:8 (6): 1673-1682 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.1c00045
摘要

Plasmonic nanoapertures have found exciting applications in optical sensing, spectroscopy, imaging, and nanomanipulation. The subdiffraction optical field localization, reduced detection volume (~attoliters), and background-free operation make them particularly attractive for single-particle and single-molecule studies. However, in contrast to the high field enhancements by traditional "nanoantenna"-based structures, small field enhancement in conventional nanoapertures results in weak light-matter interactions and thus small enhancement of spectroscopic signals (such as fluorescence and Raman signals) of the analytes interacting with the nanoapertures. In this work, we propose a hybrid nanoaperture design termed "gold-nanoislands-embedded nanoaperture" (AuNIs-e-NA), which provides multiple electromagnetic "hotspots" within the nanoaperture to achieve field enhancements of up to 4000. The AuNIs-e-NA was able to improve the fluorescence signals by more than 2 orders of magnitude with respect to a conventional nanoaperture. With simple design and easy fabrication, along with strong signal enhancements and operability over variable light wavelengths and polarizations, the AuNIs-e-NA will serve as a robust platform for surface-enhanced optical sensing, imaging, and spectroscopy.

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