CC BY
26ВКВО-2019- ВКВО-2019 Нанофотоника
КАРТИРОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ МЕТОДАМИ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ НАНОСКОПИИ ОДИНОЧНЫХ МОЛЕКУЛ И КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
12* 12 1 1 Наумов А.В. ' ' , Гладуш М.Г. ' , Горшелев А.А. , Еремчев И.Ю. ,
Голованова А.В. 12, Kohler J.3, Kaodr L.3
1 Институт спектроскопии РАН, Москва, Троицк 2Московский Педагогический Государственный Университет, Москва 3 University of Bayreuth and BIMF, Bayreuth, Germany * E-mail: [email protected] * Web-page: www.single-molecule.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16143
Современная оптическая (люминесцентная) спектромикроскопия одиночных квантовых излучателей (ОКИ) добилась впечатляющих успехов как с точки зрения развития экспериментальной техники, так и с точки зрения теоретических моделей, описывающих взаимодействие света с ОКИ -органическими молекулами, полупроводниковыми нанокристаллами, диэлектрическими и гибридными наночастицами. Так, например, уже активно используются в науках о жизни методы наноскопии (люминесцентной микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения) с детектированием изображений одиночных молекул. Данное направление было отмечено Нобелевской премией по химии 2014 года. В то же время, как справедливо отметил в своей статье [1] один из основателей данного направления проф. М.Оррит: "Single-molecule chemistry is more than superresolved fluorescence microscopy". Потенциал экспериментальных методов контроля и управления взаимодействием света с ОКИ только начинает использоваться. В частности, существует возможность многопараметрической (гиперспектральной) характеризации в нанометровом масштабе конденсированных сред.
Возможность картирования значений показателя преломления в субмикрометровом масштабе представляет значительный фундаментальный и прикладной интерес в самых разных областях естествознания. В частности, наука о полимерах остро нуждается в новых методах диагностики сложных полимерных смесей и структур, нанопленок, нановолокон. Био- и медицинская физика также использует методы контрастной диагностики, основанные на детектировании границ сред с различными показателями преломления. Существует также целый ряд нанотехнологических задач, которые требуют контроля материальных характеристик среды на нанометровом масштабе (напр., синтез калиброванных диэлектрических наночастиц). Одним из подходов для диагностики локальных полей и материальных характеристик в микро- и наноструктурах стала флуоресцентная наноскопия с детектированием спектров одиночных примесных излучающих центров, выступающих в качестве спектральных нанозондов. [2]
В настоящем докладе мы показываем как техника флуоресцентной наноскопии с детектированием одиночных квантовых излучателей (молекул, квантовых точек) может быть использована для характеризации тонкопленочных структур и нанообъектов. [3],[4] Обсуждаются методы флуоресцентной наноскопии одиночных квантовых излучателей (органических молекул, полупроводниковых коллоидных квантовых точек) в широком диапазоне температур, их приложения для исследования внутри и межмолекулярных процессов; диагностики локальной структуры и внутренней динамики материалов и наноструктур.
Регистрация люминесцентных изображений одиночных точечных излучателей позволяет реконструировать координаты источника с субдифракционной (нанометровой) точностью, которая ограничена только стабильностью установки, отношением сигнал к шуму регистрируемого излучения и размерами самого точечного источника. Реконструкция координат излучателей осуществляется путем анализа (инструментальной модификации) аппаратной функции точечного источника (PSF). Модификация PSF по биспиральной схеме методами адаптивной оптики [5] позволяет восстановить все 3 координаты точечного источника с нм точностью. [6]
Особенно информативными и наиболее чувствительными к параметрам ближайшего окружения являются бесфононные спектральные линии (БФЛ) примесных центров, наблюдаемые, как правило, при криогенных температурах. [7] Наноскопия с детектированием БФЛ ОМ позволяет осуществлять своеобразную «спектральную нанотомографию», отражающую различные особенности локальной структуры и динамики образца, напр., картировать материальные характеристики образца с субволновым пространственным разрешением. [3]
278 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Нанофотоника
Новый импульс в развитии наноскопия приобрела с появлением новых искусственных люминофоров - полупроводниковых коллоидных КТ. Одиночные КТ проявляют эффект мерцания люминесценции, связанный с Оже-ионизацией и туннельными переходами атомов, что, в свою очередь, связано с наличием дефектов в структуре, на поверхности и интерфейсах оболочечных КТ. [8] Эффект мерцания может быть использован при разработке новых методов наноскопии.
Разработка экспериментальных методов наноскопии проводится в рамках крупного проекта фундаментальных научных исследований по направлениям, поддержанным Президиумом РАН (проект №5 «Фотонные технологии...») и Государственного задания ИСАН.
Литература
1. M. Orrit, "Single-Molecule Chemistry is More than Superresolved Fluorescence Microscopy", Angewandte ChemieInternational Edition, 54, 28, (2015) 8004-8005
2. A. Aubret, A. Pillonnet, J. Houel, C. Dujardin, F. Kulzer, "CdSe/ZnS quantum dots as sensors for the local refractive index", Nanoscale, 8, 4, (2016) 2317-2325
3. A.V. Naumov, A.A. Gorshelev, M.G. Gladush, T.A. Anikushina, A.V. Golovanova, J. Kohler, L. Kador, "Micro-Refractometry and Local-Field Mapping with Single Molecules", Nano Letters, 18, 10, (2018) 6129-6134
4. I.Y. Eremchev, M.Y. Eremchev, A.V. Naumov, "Multifunctional far-field luminescence nanoscope for studying single molecules and quantum dots (50th anniversary of the Institute of Spectroscopy, Russian Academy of Sciences) ", Physics-Uspekhi, 62, 3, (2019) 294-303
5. S.R.P. Pavani, M.A. Thompson, J.S. Biteen, S.J. Lord, N. Liu, R.J. Twieg, R. Piestun, W.E. Moerner, "Three-dimensional, single-molecule fluorescence imaging beyond the diffraction limit by using a double-helix point spread function", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106, 9, (2009) 29952999
6. A. Naumov, I.Y. Eremchev, A.A. Gorshelev, "Laser selective spectromicroscopy of myriad single molecules: tool for far-field multicolour materials nanodiagnostics", European Physical Journal D, 68, 11, (2014)
7. A.V. Naumov, "Low-temperature spectroscopy of organic molecules in solid matrices: from the Shpol'skii effect to laser luminescent spectromicroscopy for all effectively emitting single molecules", Physics-Uspekhi, 56, 6, (2013) 605-622
8. I.Y. Eremchev, I.S. Osad'ko, A.V. Naumov, "Auger Ionization and Tunneling Neutralization of Single CdSe/ZnS Nanocrystals Revealed by Excitation Intensity Variation", Journal of Physical Chemistry C, 120, 38, (2016) 2200422011
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 279
