Optical antennas for single molecule fluorescence detection at physiological concentration
Antennes optiques pour la détection de molécules fluorescentes individuelles à concentrations physiologiques
Résumé
Optical nanoantennas provide a rich control over light at nanoscale to achieve high field enhancement and localization with a large absorption cross-sections. Considering the need for these virtues in broad range of fields the possible applications of these nanoantennas span into the fields of spectroscopy, photovoltaics, single photon sources, biological sensing. This thesis work mainly focuses on characterizing and manipulating optical antenna to detect single molecule fluorescence signal at high concentration of micromolar regime. At such high concentration we need to get the detection volume reduced at least three orders of magnitude beyond diffraction limits. Also the fluorescence signal enhancement is needed to have better value in order to have a single molecule stand out from the background. Chapter 1 deals with the motivation of the thesis by discussing about the well established strategies already applied to tackle the issues of volume reduction and fluorescence rate enhancement and how to go beyond the limitations of these methods. In Chapter 2 we discuss the local surface plasmonic properties of optical nanoantennas responsible for the local field enhancement and give an overview of the applications of optical antennas. Chapter 3 gives the detailed idea of the experimental techniques (Fluorescence Correlation Spectroscopy and Time correlated Single Photon Counting) that have been used to characterize the influence of Optical nanoantenna. Chapter 4 introduces the novel "antenna-in-box" platform, based on a gap-antenna inside a nanoaperture, which combines both enhancement and background screening, offering high single molecule sensitivity at micromolar concentrations. We demonstrate gap-antenna detection volumes of zeptoliter dimensions, corresponding to a 10,000-volume reduction compared to diffraction-limited optics, fluorescence enhancement up to 1100-fold and microsecond transit time. In the last Chapter 5 we show the experimental results on single gold nanoparticles with various diameters giving the idea that with 80 nm gold nanoparticle we can achieve detection volumes down to 270 zeptoliters (three orders of magnitude beyond the diffraction barrier) together with 60-fold enhancement of the fluorescence brightness per molecule. This chapter also includes results on dimers and trimers of 80 nm gold nanoparticles showing light confinement comparable to the "antenna-in-box” platform. The results in this thesis demonstrates the potential of optical antennas, fabricated by top-down ("antenna-in-box” platform) and bottom-up approach (colloidal synthesis of antennas using gold nanoparticles), to confine light and detect single molecule fluorescence at biologically relevant high concentrations regime.
Les nanoantennes optiques offrent un contrôle riche sur la lumière à l’échelle nanométrique pour réaliser la mise en valeur de champ élevé et localisation avec une grande sections efficaces d’absorption. Considérant la nécessité pour ces vertus dans des domaines très divers les applications possibles de ces nanoantennes s’étendent dans les domaines de la spectroscopie, photovoltaïque, sources de photons uniques, détection biologique. Ce travail de thèse se concentre principalement sur la caractérisation et la manipulation antenne optique pour détecter seul signal de fluorescence de molécules à forte concentration de régime micromoles. Lors de cette forte concentration, nous devons obtenir le volume de détection réduite d’au moins trois ordres de grandeur au-delà des limites de diffraction. Aussi l’amélioration du signal de fluorescence est nécessaire d’avoir un meilleur rapport signal sur bruit afin d’avoir une seule molécule de se démarquer de l’arrière-plan. Chapitre 1 traite de la motivation de la thèse en discutant sur les stratégies bien établies déjà appliquées pour aborder les questions de la réduction du volume et l’amélioration du taux de fluorescence et comment aller au-delà des limites de ces méthodes. Dans le chapitre 2, nous discutons des propriétés de surface plasmoniques locaux de nanoantennes optiques responsables de la mise en valeur de champ local et donnons un aperçu des applications d’antennes optiques. Chapitre 3 donne l’idée détaillée des techniques expérimentales (corrélation de fluorescence de spectroscopie et Temps corrélation comptage de photons) qui ont été utilisées pour caractériser l’influence de la nano-antenne optique. Le chapitre 4 présente "antenne-in-box" plate-forme, basée sur un écart-antenne à l’intérieur d’un nanotrou, qui combine à la fois la mise en valeur et la vérification des antécédents, offrant une haute sensibilité de la molécule unique à des concentrations micromolaires. Nous démontrons volumes de détection écart-antenne de dimensions zeptoliter, correspondant à une réduction de 10,000-volume rapport à l’optique de diffraction limitée, l’amélioration de la fluorescence jusqu’à 1100 fois et le transit de la micro- seconde temps. Dans le dernier chapitre 5, nous montrons les résultats expérimentaux sur des nanoparticules d’or individuelles avec différents diamètres donnant l’idée que, avec 80 nm nanoparticules d’or, nous pouvons atteindre des volumes de détection jusqu’à 270 zeptoliters (trois ordres de grandeur au-delà de la barrière de diffraction) avec 60× l’amélioration de l’intensité de fluorescence par molécule. Ce chapitre comprend également les résultats actuels sur les dimères et trimères de 80 nm nanoparticules d’or montrant la lumière confinement comparable à la Plate-forme "antenne-in-box". Les résultats de cette thèse démontre le potentiel des antennes optiques, fabriqué par top-down ("antenne-in-box" plate-forme) et l’approche bottom-up(synthèse colloïdale d’antennes utilisant des nanoparticules d’or), pour confiner la lumière et de détecter la fluorescence d’une seule molécule au régime des concentrations élevées d’intérêt biologique.
Loading...