光学和光子学

受激发射检测图像为高速单纳米晶体

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-14 16:31

一种不依赖荧光发射体的单分子成像新技术可能会在纳米技术,光子学和光伏技术中找到许多应用。该技术是由巴塞罗那的研究人员开发的,其工作原理是在室温下检测单个量子点的受激发射。它的速度使得可以在整个吸收和发射周期内追踪电荷载流子的数量。 单分子成像技术已广泛应用于生物学。迄今

  一种不依赖荧光发射体的单分子成像新技术可能会在纳米技术,光子学和光伏技术中找到许多应用。该技术是由巴塞罗那的研究人员开发的,其工作原理是在室温下检测单个量子点的受激发射。它的速度使得可以在整个吸收和发射周期内追踪电荷载流子的数量。

  单分子成像技术已广泛应用于生物学。迄今为止,它们完全基于检测被成像样品的自发荧光。在这些基于荧光的技术中,研究人员通常在吸收光的波长下激发样品,然后检测红移(较低能量)的荧光信号。这使得相对简单地阻挡来自激发光束的背景光并且仅检测荧光。

受激发射检测图像为高速单纳米晶体

受到刺激后,两个光子从量子点(QD)出现,给出有关QD中激发电荷动力学的详细信息。

 

  但是,荧光成像远非完美,因为它仅限于有效发荧光的分子。荧光光也不是连贯的,并且容易“漂白”,在分子不再发出荧光后信号会减弱。第三个缺点是自发发射是一个相对较慢的过程,发生在纳秒级的时间范围内。这意味着基于荧光的成像只能提供有关目标分子最低激发态的信息,因为更高激发态的寿命较短,约为飞秒或皮秒。

  检测受激发射

  基于检测受激发射(SE)的技术具有多个优点。所有分子都显示SE,即使那些不发荧光的分子也是如此。SE还避免了漂白,因为该分子在激发态上花费的时间很少,并且速度更快,因为光以飞秒为单位发射,这意味着SE可以提供有关激发态动力学的信息。不利的一面是,驱动受激发射的激光束还会产生大量的背景光。

  研究员在ICFO在巴塞罗那,随着卢卡斯皮亚考斯基和同事NIEK面包车许尔斯特的在组ICREA,现在已通过使用超短激光脉冲到图像个别胶体纳米晶体或量子点(QD)克服这个问题。通过施加激光脉冲,研究小组表明他们可以迫使单个量子点(根特Iwan Moreels小组制造的单个胶体CdSe / CdS棒状棒)通过SE过程发射,而不是等待它们自发发光。 。

  研究人员首先使用激光将QD“泵浦”到导带中的高激发态。之后,激发的电荷载流子(电子和空穴)通过激发态歧管衰减,最终以纳米结构的核心中最低的出射态(能带边缘)结束。然后,科学家以核心带边缘跃迁的共振频率施加第二个(探测)激光脉冲。这使电荷载流子复合,使QD松弛回到基态,并通过受激发射产生光子。由于此发射的光子与被激发的光子同相,因此产生的所有光都是相干的。

  技术超越了背景信号的极限

  Piatkowski解释说,该团队的技术之所以有效,是因为用于调制激发态总体的探针脉冲序列在高MHz的频率下运行,从而可以进行相敏检测(使用锁定放大器)并超过背景信号的极限。泵浦脉冲和探测脉冲也是同步的,因为它们来自同一宽带激光器,这意味着研究人员可以在非常强烈的刺激光束上方检测到受激光子。因此,刺激束是受激发射信号的背景信号。该技术也非常快,并且可以在飞秒到皮秒级的范围内工作,这使研究人员可以在光周期的任何时刻对其QD成像。

  由于这项工作已在《科学》中进行了详细介绍,因此研究人员已开始研究其量子点中的电子-空穴核-壳动力学。这样的研究将使人们更容易理解和设计无陷阱,无闪烁,具有光稳定性的QD,以供将来在光电子领域中应用。

  生物学扩展

  van Hulst说,对生物系统的研究也可能会受益,因为超快速反应将使研究人员能够研究生物细胞中重要的能量转移系统的动力学。Piatkowski说:“在ICFO,我们正在研究光合作用的光采光复合体中的相干能量转移(植物使用这种相干的能量来增强入射光的收集)。” “这项新技术可以使我们在单个采光复杂层级上做到这一点。”

  ICFO小组表示,现在希望将其技术扩展到分子和生物分子复合物。van Hulst告诉《物理学世界》:“我们还在研究三脉冲和四脉冲方案,以将2D光谱与SE和发光检测相结合。” “每种技术都会相互补充,并提供不同的信息:发光将报告分子的基态,而SE则显示其超快激发态动力学。”

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