[论文解读] <i>In Situ</i> Photothermal Response of Single Gold Nanoparticles through Hyperspectral Imaging Anti-Stokes Thermometry

Mariano Barella, Ianina L. Violi+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种无标记、原位的反斯托克斯高光谱成像测温方法，用于在不预先了解其性质或环境的情况下测量单个金纳米颗粒的光热响应。该技术揭示，在水中，直径超过50 nm的金纳米颗粒的热耗散主要由周围介质主导，且界面热阻显著影响温度分布；尽管石墨烯具有高导热性，80 nm金纳米颗粒在石墨烯上的温度仍比在玻璃上高出24%，这是由于界面热接触不良所致。

ABSTRACT

Several fields of applications require a reliable characterization of the photothermal response and heat dissipation of nanoscopic systems, which remains a challenging task both for modeling and experimental measurements. Here, we present a new implementation of anti-Stokes thermometry that enables the in situ photothermal characterization of individual nanoparticles (NPs) from a single hyperspectral photoluminescence confocal image. The method is label-free, applicable to any NP with detectable anti-Stokes emission, and does not require any prior information about the NP itself or the surrounding media. With it, we first studied the photothermal response of spherical gold NPs of different sizes on glass substrates, immersed in water, and found that heat dissipation is mainly dominated by the water for NPs larger than 50 nm. Then, the role of the substrate was studied by comparing the photothermal response of 80 nm gold NPs on glass with sapphire and graphene, two materials with high thermal conductivity. For a given irradiance level, the NPs reach temperatures 18% lower on sapphire and 24% higher on graphene than on bare glass. The fact that the presence of a highly conductive material such as graphene leads to a poorer thermal dissipation demonstrates that interfacial thermal resistances play a very significant role in nanoscopic systems, and emphasize the need for in situ experimental thermometry techniques. The developed method will allow addressing several open questions about the role of temperature in plasmon-assisted applications, especially ones where NPs of arbitrary shapes are present in complex matrixes and environments.

研究动机与目标

• 开发一种可靠、无标记的方法，用于对单个等离子体纳米颗粒进行原位光热表征。
• 克服传统测温技术在空间分辨率不足或具有侵入性方面的局限性。
• 研究周围介质和基底在金纳米颗粒热耗散中的作用。
• 量化界面热阻如何影响不同基底上纳米颗粒的光热响应。
• 实现在与等离子体辅助应用相关的复杂环境中精确的温度映射。

提出的方法

• 利用高光谱共聚焦成像系统捕获激光辐照下单个金纳米颗粒的光致发光发射。
• 通过温度依赖的光谱位移分析，利用反斯托克斯发射强度比确定局部温度。
• 该方法无需预先知晓纳米颗粒或周围介质的信息，可普遍应用于任何具有可检测反斯托克斯发射的纳米颗粒。
• 采用光学打印技术在基底（玻璃、蓝宝石、石墨烯）上精确放置单个纳米颗粒，通过控制电荷相互作用实现定位。
• 使用PID控制的加热平台和自动数据采集，在多个温度点获取高光谱图像。
• 通过已知的反斯托克斯发射比与温度的依赖关系进行温度校准，避免依赖外部探针。

实验结果

研究问题

• RQ1 在水性环境中，单个金纳米颗粒的光热响应如何随尺寸变化？
• RQ2 在水中，直径超过50 nm的金纳米颗粒的主要热耗散路径是什么？
• RQ3 不同热导率的基底如何影响单个纳米颗粒的局部温度？
• RQ4 尽管石墨烯等材料的体相热导率很高，界面热阻在纳米尺度系统中对热传递的主导程度如何？
• RQ5 反斯托克斯高光谱成像能否在无需外源探针或对系统假设的前提下，提供准确的原位温度映射？

主要发现

• 对于水中直径超过50 nm的金纳米颗粒，热耗散主要由周围水相介质决定。
• 在蓝宝石基底上，80 nm金纳米颗粒的温度比在裸玻璃上低18%，这是由于蓝宝石的热导率更高所致。
• 在石墨烯涂层玻璃上，80 nm金纳米颗粒的温度比在裸玻璃上高出24%，表明尽管石墨烯导热性优异，但界面热接触不良导致显著的界面热阻。
• 该方法实现了无需预先知晓纳米颗粒或环境信息的原位、无标记、非侵入式单个纳米颗粒温度映射。
• 该技术成功以高空间和光谱分辨率分辨纳米尺度的温度差异，验证了其在复杂等离子体系统中的实用性。
• 结果表明，界面热阻可在纳米系统中主导热传输，挑战了基于体相材料性质的既有假设。