Ученые из США были первыми, кто смог использовать отдельные флуоресцентные молекулы, чтобы исследовать электромагнитные поля в особых наноразмерных «хот-спотах» на поверхности металла. Предложенная ими техника отображения позволяет визуализировать структуры размерами порядка 15 нм с разрешением около 2 нм, что намного лучше текущих достижений оптической микроскопии.

Когда свет попадает на металлическую поверхность, к примеру, из золота или серебра, отдельные наноразмерные структуры на ней могут создавать так называемые «хот-споты», области сконцентрированного света, где интенсивность электромагнитного поля может достигать чрезвычайно высокого уровня. О существовании подобных областей ученые знают уже более 30 лет; ранее этот эффект уже использовался в научных целях для усиления сигнала Рамановского рассеяния при отображении небольших групп и даже единичных молекул. Несмотря на подтвержденный успех подобной методики, до конца природа «хот-спотов» была не известна. К примеру, ученые до сих пор не могли измерить их физические размеры и понять феномен того самого усиления Рамановского сигнала.

Рис. 1. Единичные флуоресцентные молекулы из раствора адсорбируются на поверхности металла, отмечая более высокой интенсивностью излучения места расположения «хот-спотов».

Исследования «хот-спотов» традиционно сталкиваются с двумя принципиальными проблемами.

• Во-первых, «хот-споты» случайным образом разбросаны по поверхности металла, поэтому их достаточно сложно обнаружить. –
• Во-вторых, они, очевидно, меньше длины волны видимого света, поэтому для их поиска не может использоваться оптическая микроскопия (фундаментальный дифракционный предел для разрешения оптической микроскопии – половина длины волны излучения). Альтернативные методы исследования (например, ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия) здесь также трудно применимы из-за ограничений, накладываемых на площадь отображаемой поверхности.

Но группа ученых из University of California (США) нашла способ обойти эти проблемы. Для этого они использовали в качестве «пробников» отдельные флуоресцирующие молекулы. Ученые считают, что примененные ими молекулы являются чуть ли не идеальным средством подобных исследований, ведь их геометрические размеры менее нанометра. Предложенная исследовательской группой методика подразумевает размещение металлического образца или кластера металлических наночастиц на кварцевой поверхности в растворе флуоресцирующего вещества, что позволяет отдельным молекулам из раствора произвольным образом адсорбироваться на поверхности. Рассеяние молекул происходит естественным образом за счет броуновского движения. При освещении исследуемой поверхности лазерным лучом, на ней проявляются «хот-споты», в которых могут «фиксироваться» флуоресцирующие молекулы. Группа утверждает, что можно подобрать такую концентрацию раствора, что каждый «хот-спот» будет занят только одной молекулой.

Как только молекула достигает «хот-спота», ее свечение многократно усиливается. Она проявляется как яркое пятно, интенсивность которого может быть измерена. Таким образом, команда смогла получить профиль увеличения флуоресценции от одного единственного «хот-спота».

В результате проведенных исследований были не только оценены размеры «хот-спотов» (они, по мнению ученых, достигают примерно 15 нм), но и отмечено экспоненциальное уменьшение интенсивности свечения «пробной» молекулы при удалении от его центра. Ранее этот результат уже предсказывался вычислительными экспериментами, но ни разу не был получен на практике.

Предложенная методика позволит не просто изучать новые явления, но и проектировать оптические материалы, управляющие потоком света на наноуровне, в будущем.