CC BY
3ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
ПОДАВЛЕНИЕ ФОТОДЕГРАДАЦИИ КРАСИТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ СИЛЬНОЙ СВЯЗИ
Доронин И.В. и'3*, Зябловский А.А. 12,4, Андрианов Е.С. 1,2,4
1 Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, г. Москва 2 Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный 3 Институт спектроскопии российской академии наук, г. Троицк, г. Москва 4 Институт теоретической и прикладной электродинамика российской академии наук, г. Москва * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-87-88
Красители являются ценным наноисточником излучения ввиду достаточно большой яркости и высокого квантового выхода, однако подвержены фотодеградации под действием накачки [1,2]. В связи с этим большой интерес исследование механизмов фотодеградации и подавление процесса фотодеградации. Одним из способов подавления фотодеградации является добавление в систему плазмонной частицы, что приводит к увеличению скорости излучения и, как следствие, уменьшению заселенности возбужденных состояний молекулы, посредством которых происходит фотодеградация
[3].
В данной работе рассматривается краситель, заключенный в полидопаминовую оболочку плазмонной наночастицы. При этом достигается режим сильной связи - то есть, из-за взаимодействия между красителем и плазмонной частицей возникает расщепление, превосходящее ширины линии излучения красителя и плазмонной частицы. Построена модель, позволяющая описывать процесс фотодеградации в гибридной системе в режиме сильной связи. В рамках численного моделирования показано, что существует оптимальная концентрация красителя в оболочке плазмонной частицы, при которой время жизни молекул красителя достигает наибольшего значения. Время жизни при этом увеличивается более чем в 30 раз. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало качественное соответствие - в эксперименте также наблюдается оптимум по концентрации красителя.
Для описания процесса фотодеградации был использован подход, основанный на управляющем уравнении Линдблада [4]. Изначально рассматривается гамильтониан плазмонной наночастицы, взаимодействующей с молекулами красителя в диполь-дипольном приближении. Для учета фотодеградации в гамильтониан добавляются слагаемые, соответствующие триплетному состоянию красителя [3] - неизлучающему возбужденному состоянию красителя, которое активно взаимодействует с кислородом, за счет чего и происходит деградация молекул. В приближении малого числа возбужений находим уровни энергии системы (в данном случае приближение малого числа возбуждений оправдано, поскольку скорость накачки мала, и система находится преимущественно в невозбужденном состоянии). Для описания заселенности полученных уровней энергии используется уравнение Линдблада, в котором учтены все существенные релаксационные процессы, а именно, поперечная релаксация дипольного момента красителя, спонтанное излучение молекул красителя и плазмонной частиц, джоулевы потери в плазмонной частице, внешняя некогерентная накачка. Помимо этого был учтен эффект концентрационного гашения, проявляющийся, в частности, в сдвиге уровней энергии системы при высоких концентрациях красителя. От уравнений Линдблада затем осуществляется переход к скоростным уравнениям, которые решаются численно при разных концентрациях красителя.
На основании результатов численного моделирования показано, что наличие оптимальной концентрации обусловлено конкуренцией двух эффектов. С одной стороны, высокая концентрация красителя увеличивает величину связи, что приводит к увеличению подавления гашения. С другой стороны, увеличение концентрации приводит к усилению концентрационного гашения, что приводит к смещению возбужденных состояний в системе. При очень высоких концентрациях излучающие уровни энергии смещаются вверх, что приводит к уменьшению их заселенности и переходу молекул в неизлучающие состояния, где они быстро взаимодействуют с кислородом.
Таким образом, продемонстрирован подход, позволяющий моделировать сложные гибридные системы с плазмонной частицей и молекулами красителя. Показано наличие оптимальной концентрации красителя в оболочке плазмонной наночастицы, при которой скорость фотодеградации системы значительно падает. Полученные результаты играют большую роль для построения излучающих наносистем, поскольку позволяют преодолеть одну из основных проблем красителей, связанную с малым временем жизни, за счет выбора оптимальной концентрации. Помимо этого, разработанная модель может быть использована для описания и проектирования наноизлучателей и может быть дополнена для учета иных явлений в плазмонных системах.
ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
Данное исследование финансируется грантом РНФ проект номер 23-42-00049. Литература
1. Mycek M., et al, Handbook of biomedical fluorescence. CRC Press (2003)
2. Widengren J., et al, Bioimaging, 4(3), 149, (1996)
3. Hale G.D., et al, Appl. Phys. Lett. 78, 1502 (2001)
4. Carmichael H., Statistical methods in quantum optics 1: master equations and Fokker-Planck equations (Vol. 1). Springer Science & Business Media (1999)
