zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1319Research ArticleСПЕКТРОСКОПИЯ НАНОСТРУКТУРSPECTROSCOPY OF NANOSTRUCTUREМеталлодиэлектрические наноструктуры для усиления молекулярной флуоресценцииMetal-Dielectric Nanostructures for Enhancement of Molecular FluorescenceКулаковичО. С.KulakovichO. S.

Минск

Minsk

o.kulakovich@ifanbel.bas-net.byГапоненкоС. В.GaponenkoS. V.

Минск

Minsk

ГузатовД. В.GuzatovD. V.

Гродно

Grodno

Институт физики НАН БеларусиB.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusГродненский государственный университет им. Янки КупалыYanka Kupala Grodno State University202301062023903447455Copyright © Кулакович О.С., Гапоненко С.В., Гузатов Д.В., 20232023Кулакович О.С., Гапоненко С.В., Гузатов Д.В.Kulakovich O.S., Gaponenko S.V., Guzatov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1319

В металлодиэлектрических наноструктурах с размером металлических неоднородностей порядка 10-100 нм возникает сильная локальная концентрация электромагнитного излучения на частоте возбуждающего (первичного) и испущенного (вторичного) излучения одновременно со значительным возрастанием скорости безызлучательных переходов (тушение флуоресценции). Рассмотрены общие принципы использования металлодиэлектрических наноструктур для усиления флуоресценции и представлены результаты экспериментальной реализации этих принципов для органических молекул, включая биомолекулы, меченные флуоресцентными маркерами.

In metal-dielectric nanostructures with metal inhomogeneities with the size of about 10-100 nm, strong local concentration of electromagnetic radiation at the frequencies of incident (primary) and emitted (secondary) radiation occurs simultaneously with a considerable growth of nonradiative transitions rate (fluorescence quenching). We report on general principles of using metal-dielectric nanostructures for the enhancement of fluorescence and on experimental implementation of these principles for organic molecules including biomolecules marked with fluorescent labels.

наноплазмоникаметаллодиэлектрическая наноструктураколлоидная нано-частицафлуоресценцияnanoplasmonicmetal-dielectric nanostructurecolloidal nanoparticlefluorescenceАвторы признательны за многолетнее плодотворное сотрудничество своим коллегам С.В. Ващенко, А.А. Романенко, А.О. Муравицкой, а также сотрудникам Международного экологического института имени А.Д. Сахарова БГУ С.А. Маскевичу, И.В. Коктыш, Я.И. Мельниковой. Авторы выражают благодарность П.В. Карпачу, И.Ф. Свекло за помощь в получении АСМ-снимков.ReferencesV. M. Shalaev. Nonlinear Optics of Random Media: Fractal Composites and Metal-Dielectric Films, 158, Springer Science & Business Media (1999)V. M. Shalaev. Nonlinear Optics of Random Media: Fractal Composites and Metal-Dielectric Films, 158, Springer Science & Business Media (1999)M. I. Stockman, D. J. Bergman, C. Anceau, S. Brasselet, J. Zyss. Phys. Rev. Lett., 92, N 5 (2004) 057402M. I. Stockman, D. J. Bergman, C. Anceau, S. Brasselet, J. Zyss. Phys. Rev. Lett., 92, N 5 (2004) 057402E. M. Purcell. Phys. Rev., 69 (1946) 681E. M. Purcell. Phys. Rev., 69 (1946) 681S. V. Gaponenko. Phys. Rev. B, 65 (2002) 140303S. V. Gaponenko. Phys. Rev. B, 65 (2002) 140303S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Chem. Phys. Lett., 477, N 4-6 (2009) 411—414S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Chem. Phys. Lett., 477, N 4-6 (2009) 411—414K. Kneipp, M. Moskovits, H. Kneipp. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications, Springer Science & Business Media (2006)K. Kneipp, M. Moskovits, H. Kneipp. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Applications, Springer Science & Business Media (2006)C. D. Geddes, J. R. Lakowicz. J. Fluoresc., 12 (2002) 121—129C. D. Geddes, J. R. Lakowicz. J. Fluoresc., 12 (2002) 121—129J. F. Li, C. Y. Li, R. F. Aroca. Chem. Soc. Rev., 46, N 13 (2017) 3962—3979J. F. Li, C. Y. Li, R. F. Aroca. Chem. Soc. Rev., 46, N 13 (2017) 3962—3979C. Zhan, X. J. Chen, J. Yi, J. F. Li, D. Y. Wu, Z. Q. Tian. Nature Rev. Chem., 2, N 9 (2018) 216—230C. Zhan, X. J. Chen, J. Yi, J. F. Li, D. Y. Wu, Z. Q. Tian. Nature Rev. Chem., 2, N 9 (2018) 216—230O. Kulakovich, N. Strekal, A. Yaroshevich, S. Maskevich, S. Gaponenko, I. Nabiev, U. Woggon, M. Artemyev. Nano Lett., 2, N 12 (2002) 1449—1452O. Kulakovich, N. Strekal, A. Yaroshevich, S. Maskevich, S. Gaponenko, I. Nabiev, U. Woggon, M. Artemyev. Nano Lett., 2, N 12 (2002) 1449—1452P. P. Pompa, L. Martiradonna, A. D. Torre, F. D. Sala, L. Manna, M. De Vittorio, F. Calabi, R. Cingolani, R. Rinaldi. Nature Nanotechnol., 1, N 2 (2006) 126—130P. P. Pompa, L. Martiradonna, A. D. Torre, F. D. Sala, L. Manna, M. De Vittorio, F. Calabi, R. Cingolani, R. Rinaldi. Nature Nanotechnol., 1, N 2 (2006) 126—130J. T. Van Wijngaarden, M. M. Van Schooneveld, C. de Mello Donega, A. Meijerink. Europhys. Lett., 93, N 5 (2011) 57005J. T. Van Wijngaarden, M. M. Van Schooneveld, C. de Mello Donega, A. Meijerink. Europhys. Lett., 93, N 5 (2011) 57005N. Strekal, V. Oskirko, A. Maskevich, S. Maskevich, J.-C. Jardillier, I. Nabiev. Biopolymers (Biospectroscopy), 57, N 6 (2000) 325—328N. Strekal, V. Oskirko, A. Maskevich, S. Maskevich, J.-C. Jardillier, I. Nabiev. Biopolymers (Bio-spectroscopy), 57, N 6 (2000) 325—328V. V. Klimov, M. Ducloy, V. S. Letokhov. Euro. Phys. J. D, 20 (2002) 133—148V. V. Klimov, M. Ducloy, V. S. Letokhov. Euro. Phys. J. D, 20 (2002) 133—148V. V. Klimov, D. V. Guzatov. Quant. Electron., 37 (2007) 209V. V. Klimov, D. V. Guzatov. Quant. Electron., 37 (2007) 209V. V. Klimov, V. S. Letokhov. Laser Phys., 15 (2005) 61—73V. V. Klimov, V. S. Letokhov. Laser Phys., 15 (2005) 61—73Д. В. Гузатов. Влияние нанообъектов сложной конфигурации на характеристики спонтанного испускания атомов и молекул, дис. ... д-ра физ.-мат. наук, Гродно (2019)Д. В. Гузатов. Влияние нанообъектов сложной конфигурации на характеристики спонтанного испускания атомов и молекул, дис. ... д-ра физ.-мат. наук, Гродно (2019)В. В. Климов. Наноплазмоника, Москва, Физ.-мат. лит. (2009)В. В. Климов. Наноплазмоника, Москва, Физ.-мат. лит. (2009)K. Li, M. I. Stockman, D. J. Bergman. Phys. Rev. Lett., 91, N 22 (2003) 227402K. Li, M. I. Stockman, D. J. Bergman. Phys. Rev. Lett., 91, N 22 (2003) 227402Z. B. Wang, B. S. Luk'yanchuk, W. Guo, S. P. Edwardson, D. J. Whitehead, L. Li, Z. Liu, K. G. Watkins. J. Chem. Phys., 128, N 9 (2008) 094705Z. B. Wang, B. S. Luk'yanchuk, W. Guo, S. P. Edwardson, D. J. Whitehead, L. Li, Z. Liu, K. G. Watkins. J. Chem. Phys., 128, N 9 (2008) 094705Р. А. Дынич, А. Н. Понявина, В. В. Филиппов. Журн. прикл. спектр., 76 (2009) 746—751R. A. Dynich, A. N. Ponyavina, V. V. Filippov. J. Appl. Spectr., 76 (2009) 705—710D. V. Guzatov V.V. Klimov. New J. Phys., 13, N 5 (2011) 053034D. V. Guzatov V.V. Klimov. New J. Phys., 13, N 5 (2011) 053034Q. H. Park. Contemporary Phys., 50, N 2 (2009) 407—423Q. H. Park. Contemporary Phys., 50, N 2 (2009) 407—423L. Novotny, N. Van Hulst. Nature Photon., 5, N 2 (2011) 83—90L. Novotny, N. Van Hulst. Nature Photon., 5, N 2 (2011) 83—90А. Е. Краснок, И. С. Максимов, А. И. Денисюк, П. А. Белов, А. Е. Мирошниченко, К. Р. Симовский, Ю. С. Кившарь. Успехи физ. наук, 183, N 6 (2013) 561—589A. E. Krasnok, I. S. Mak- symov, A. I. Denisyuk, P. A. Belov, A. E. Miroshnichenko, C. R. Simovski, Y. S. Kivshar. Physics Uspekhi, 56, N 6 (2013) 539D. V. Guzatov, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, A. Ya. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. V. Gaponenko. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 10723—10733D. V. Guzatov, S. V. Vaschenko, V. V. Stankevich, A. Ya. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. V. Gaponenko. J. Phys. Chem. C, 116 (2012) 10723—10733D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. AIP Adv., 8, N 1 (2018) 015324D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. AIP Adv., 8, N 1 (2018) 015324D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Plasmonics, 13 (2018) 2133—2140D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Plasmonics, 13 (2018) 2133—2140S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Applied Nanophotonics, Cambridge, Cambridge University Press (2018)S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Applied Nanophotonics, Cambridge, Cambridge University Press (2018)S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Proc. IEEE, 108 (2020) 704—720S. V. Gaponenko, D. V. Guzatov. Proc. IEEE, 108 (2020) 704—720O. Kulakovich, N. Strekal, M. Artemyev, A. Stupak, S. Maskevich, S. Gaponenko. Nanotechnology, 17, N 20 (2006) 5201—5206O. Kulakovich, N. Strekal, M. Artemyev, A. Stupak, S. Maskevich, S. Gaponenko. Nanotechnology, 17, N 20 (2006) 5201—5206O. C. Кулакович, Н. Д. Стрекаль, М. В. Артемьев, А. П. Ступак, С. А. Маскевич, С. В. Гапоненко. Журн. прикл. спектр., 73 (2006) 797—800O. S. Kulakovich, N. D. Strekal', M. V. Artem'ev, A. P. Stupak, S. A. Maskevich, S. V. Gaponenko. J. Appl. Spectr., 73 (2006) 892—896P. Anger, P. Bharadwaj, L. Novotny. Phys. Rev. Lett., 96, N 11 (2006) 113002P. Anger, P. Bharadwaj, L. Novotny. Phys. Rev. Lett., 96, N 11 (2006) 113002D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Z. Phys. Chem., 232, N 9-11 (2018) 1431—1441D. V. Guzatov, S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Z. Phys. Chem., 232, N 9-11 (2018) 1431—1441M. H. Chowdhury, K. Ray, S. K. Gray, J. Pond, J. R. Lakowicz. Analyt. Chem., 81, N 4 (2009) 1397—1403.M. H. Chowdhury, K. Ray, S. K. Gray, J. Pond, J. R. Lakowicz. Analyt. Chem., 81, N 4 (2009) 1397—1403.A. A. Lizunova, D. Malo, D. V. Guzatov, I. S. Vlasov, E. I. Kameneva, I. A. Shuklov, M. N. Urazov, A. A. Ramanenka, V. V. Ivanov. Nanomaterials, 12, N 22 (2022) 4051A. A. Lizunova, D. Malo, D. V. Guzatov, I. S. Vlasov, E. I. Kameneva, I. A. Shuklov, M. N. Urazov, A. A. Ramanenka, V. V. Ivanov. Nanomaterials, 12, N 22 (2022) 4051L. Trotsiuk, A. Muravitskaya, O. Kulakovich, D. Guzatov, A. Ramanenka, Y. Kelestemur, H. V. Demir, S. Gaponenko. Nanotechnology, 31, N 10 (2019) 105201L. Trotsiuk, A. Muravitskaya, O. Kulakovich, D. Guzatov, A. Ramanenka, Y. Kelestemur, H. V. Demir, S. Gaponenko. Nanotechnology, 31, N 10 (2019) 105201Y. Chen, K. Munechika, I. Jen-La Plante, A. M. Munro, S. E. Skrabalak, Y. Xia, D. S. Ginger. Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 053106Y. Chen, K. Munechika, I. Jen-La Plante, A. M. Munro, S. E. Skrabalak, Y. Xia, D. S. Ginger. Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 053106O. Kulakovich, L. Gurinovich, Hui Li, A. Ramanenka, L. Trotsiuk, A. Muravitskaya, J. Wei, Hongbo Li, N. Matveevskaya, D. Guzatov, S. Gaponenko. Nanotechnology, 32, N 3 (2020) 035204O. Kulakovich, L. Gurinovich, Hui Li, A. Ramanenka, L. Trotsiuk, A. Muravitskaya, J. Wei, Hongbo Li, N. Matveevskaya, D. Guzatov, S. Gaponenko. Nanotechnology, 32, N 3 (2020) 035204И. В. Коктыш, Я. И. Мельникова, О. С. Кулакович, А. А. Романенко, С. В. Ващенко, А. О. Муравицкая, С. В. Гапоненко, С. А. Маскевич. Журн. прикл. спектр., 87, № 5 (2020) 808—815I. V. Koktysh, Ya. I. Melnikova, O. S. Kulakovich, A. A. Ramanenka, S. V. Vaschenko, A. O. Muravitskaya, S. V. Gaponenko, S. A. Maskevich. J. Appl. Spectr., 87 (2020) 870—876Z. W. Lei, M. Liu, W. Ge, X. F. Yang, J. F. Chen, Y. Lu. J. Lumin., 206 (2019) 359—363Z. W. Lei, M. Liu, W. Ge, X. F. Yang, J. F. Chen, Y. Lu. J. Lumin., 206 (2019) 359—363A. Muravitskaya, O. Kulakovich, P. M. Adam, S. Gaponenko. Phys. Status Solidi (b), 255, N 4 (2018) 1700491(1—5)A. Muravitskaya, O. Kulakovich, P. M. Adam, S. Gaponenko. Phys. Status Solidi (b), 255, N 4 (2018) 1700491(1—5)S. Vaschenko, A. Ramanenka, O. Kulakovich, A. Muravitskaya, D. Guzatov, A. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. Gaponenko. Proc. Eng., 140 (2016) 57—66S. Vaschenko, A. Ramanenka, O. Kulakovich, A. Muravitskaya, D. Guzatov, A. Lunevich, Y. F. Glukhov, S. Gaponenko. Proc. Eng., 140 (2016) 57—66N. Strekal, O. Kulakovich, V. Askirka, I. Sveklo, S. Maskevich. Plasmonics, 4, N 1 (2009) 1—7N. Strekal, O. Kulakovich, V. Askirka, I. Sveklo, S. Maskevich. Plasmonics, 4, N 1 (2009) 1—7R. I. Nooney, O. Stranik, C. McDonagh, B. D. MacCraith. Langmuir, 24, N 19 (2008) 11261(1—7)R. I. Nooney, O. Stranik, C. McDonagh, B. D. MacCraith. Langmuir, 24, N 19 (2008) 11261(1—7)https://patents.google.com/patent/US8318087B2/en. Date of access: 14.03.2023https://patents.google.com/patent/US8318087B2/en. Date of access: 14.03.2023P. C. Lee, D. Meisel. J. Phys. Chem., 86 (1982) 3391—3395P. C. Lee, D. Meisel. J. Phys. Chem., 86 (1982) 3391—3395O. Kulakovich, A. Scherbovich, I. Koktysh, Y. Melnikova, A. Ramanenka, S. Gaponenko, S. Maskevich. Z. Phys. Chem., 236, N 11-12 (2022) 1603—1615O. Kulakovich, A. Scherbovich, I. Koktysh, Y. Melnikova, A. Ramanenka, S. Gaponenko, S. Maskevich. Z. Phys. Chem., 236, N 11-12 (2022) 1603—1615C. Hirtz, J. Vialaret, A. Gabelle, N. Nowak, Y. Dauvilliers, S. Lehmann. Sci Rep., 6 (2016) 25162C. Hirtz, J. Vialaret, A. Gabelle, N. Nowak, Y. Dauvilliers, S. Lehmann. Sci Rep., 6 (2016) 25162

The authors declare that there are no conflicts of interest present.