[论文解读] Enhancement of molecular coherent anti-Stokes Raman scattering with silicon nano-antennas

Shamsul Abedin, Li Yong+3 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 55被引用 3

一句话总结

本研究首次通过全介质硅纳米天线实验实现了分子相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）的增强，取代了等离子体金纳米结构，以克服热不稳定性与形貌退化问题。基于硅的天线实现了10倍的信号增强，同时显著提升了稳定性并降低了双光子激发荧光（TPEL）背景，实现了可重复的高速生物分子检测。

ABSTRACT

Surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering (SE-CARS) takes advantage of surface plasmon resonances supported on metallic nanostructures to amplify the coherent Raman response of target molecules. While these metallic antennas have found significant success in SE-CARS studies, photo-induced morphological changes to the nanoantenna under ultrafast excitation introduce significant hurdles in terms of stability and reproducilibty. These hurdles need to be overcome in order to establish SE-CARS as a reliable tool for rapid biomolecular sensing. Here we address this challenge by performing molecular CARS measurements enhanced by nanoantennas made from high-index dielectric particles with more favorable thermal properties. We present the first experimental demonstration of enhanced molecular CARS signals observed at Si nano-antennas, which offer much improved thermal stability compared to their metallic counterparts.

研究动机与目标

• 解决在超快激发条件下，使用等离子体金属纳米天线的表面增强CARS（SE-CARS）存在的不稳定性与不可重复性问题。
• 克服金属纳米结构在光诱导下引起的形貌变化与局部加热，从而降低信号的不可重复性。
• 探索高折射率介质材料（如硅）作为增强CARS信号的稳定替代方案。
• 与等离子体金纳米哑铃相比，展示全介质纳米结在信号稳定性与背景荧光减少方面的优势。
• 通过稳定、可重复的SE-CARS平台，实现可靠、高速的生物分子筛选。

提出的方法

• 使用150 nm直径、吡啶功能化的Si纳米颗粒，通过旋涂工艺沉积在BK7盖玻片上，制备硅纳米天线。
• 通过旋涂过程中颗粒的自发聚集形成纳米结，构建用于光场约束的纳米空腔。
• 利用全介质硅纳米天线产生强位移电流，并通过高折射率与低光学损耗实现光场的强约束。
• 与参考金基纳米哑铃（90 nm Au纳米球，BPE连接体，SiO2壳层）进行对比，评估信号增强效果与背景水平。
• 采用800 nm与1040 nm的超快激光激发，检测420 nm处的反斯托克斯信号。
• 对信号增强因子、时间稳定性以及双光子激发荧光（TPEL）背景水平进行定量分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 全介质硅纳米天线能否提供与等离子体金纳米天线相当或更优的CARS信号增强？
• RQ2 与金属天线相比，硅纳米天线在超快激发条件下是否显著降低热降解与形貌变化？
• RQ3 将等离子体金替换为介质硅后，CARS测量中的TPEL背景能降低到何种程度？
• RQ4 能否在介质纳米结中实现稳定、可重复的CARS信号，以支持高速生物分子传感应用？
• RQ5 在相同实验条件下，介质增强CARS的信背比与等离子体增强CARS相比如何？

主要发现

• 本研究首次实验展示了利用全介质硅纳米天线增强分子CARS，与裸基底相比，信号增强因子约为10。
• 硅纳米天线表现出显著改善的长期信号稳定性，在多次激光照射后几乎无退化，而等离子体金纳米哑铃则表现出快速的信号衰减。
• 与金基参考系统相比，硅基系统的双光子激发荧光（TPEL）背景显著降低，实现了更清晰的分子信号检测。
• 使用高折射率介质材料（如硅）可通过位移电流与Mie共振实现强光场约束，避免了金属中常见的局部加热与电子隧穿效应。
• 测量结果显示，硅纳米结的CARS信号在多次激光扫描后保持稳定，表明其对光致损伤与形貌变化具有强鲁棒性。
• 结果表明，在相干拉曼传感应用中，介质纳米天线在信号可重复性与长期稳定性方面优于等离子体纳米结构。