Broadband Fluorescence Enhancement with Self-Assembled Silver Nanoparticle Optical Antennas

Abstract

Plasmonic structures are known to affect the fluorescence properties of dyes placed in close proximity. This effect has been exploited in combination with single-molecule techniques for several applications in the field of biosensing. Among these plasmonic structures, top-down zero-mode waveguides stand out due to their broadband capabilities. In contrast, optical antennas based on gold nanostructures exhibit fluorescence enhancement on a narrow fraction of the visible spectrum typically restricted to the red to near-infrared region. In this contribution, we exploit the DNA origami technique to self-assemble optical antennas based on large (80 nm) silver nanoparticles. We have studied the performance of these antennas with far- and near-field simulations and characterized them experimentally with single-molecule fluorescence measurements. We demonstrate that silver-based optical antennas can yield a fluorescence enhancement of more than 2 orders of magnitude throughout the visible spectral range for high intrinsic quantum yield dyes. Additionally, a comparison between the performance of gold and silver-based antennas is included. The results indicate that silver-based antennas strongly outperform their gold counterparts in the blue and green ranges and exhibit marginal differences in the red range. These characteristics render silver-based optical antennas ready for applications involving several fluorescently labeled species across the visible spectrum.

DNA‐Mediated Self‐Assembly of Plasmonic Antennas with a Single Quantum Dot in the Hot Spot

“…For the QD antennas, we used either conventionally available AuNPs which possess multiple crystal facets or ultrasmooth highly spherical AuNPs, which lead to a narrower plasmonic resonance distribution of the assembled structures. To further demonstrate the versatility of our assembly methodology, we fabricated antennas using silver NPs (AgNPs), which exhibit sharper plasmon resonances than their gold counterparts, granting access to a different part of the optical spectrum …”

Platzierung einzelner Proteine in den SERS‐Hot‐Spots selbstorganisierter Silbernanolinsen

“…DNA-Nanotechnologie ist eine vielseitige Methode fürd ie Selbstorganisation diskreter,k omplexer plasmonischer Nanostrukturen. Es gibt hingegen nur wenige Studien, in denen Silbernanopartikel zur Anwendung kommen, [16,17] obwohl Silber hohe Feldverstärkungen über einen breiten Wellenlängenbereich zu liefern in der Lage ist. B. bereits als Wellenleiter, [11] als chirale Sensoren, [12] füroberflächenverstärkte Fluoreszenz- [13] und fürS ERS-Messungen [6,14,15] verwendet worden.…”

“…[10] Strukturen aus DNA-beschichteten Goldnanopartikeln auf DNA-Origami-Gerüsten sind z. [17] Die Funktionalisierung von Silbernanopartikeln mit thiolisierter DNA gestaltet sich schwieriger als die von Goldpartikeln:D ie verhältnismäßig schwächere Ag-S-Bindung führt zu einer schnelleren Ablçsung der DNA-Stränge von der Silberoberfläche, [18] außerdem unterscheidet sich das unspezifische Adsorptionsverhalten der Nukleinbasen auf der Silberoberfläche. Es gibt hingegen nur wenige Studien, in denen Silbernanopartikel zur Anwendung kommen, [16,17] obwohl Silber hohe Feldverstärkungen über einen breiten Wellenlängenbereich zu liefern in der Lage ist.…”

“…B. bereits als Wellenleiter, [11] als chirale Sensoren, [12] füroberflächenverstärkte Fluoreszenz- [13] und fürS ERS-Messungen [6,14,15] verwendet worden. Es gibt hingegen nur wenige Studien, in denen Silbernanopartikel zur Anwendung kommen, [16,17] obwohl Silber hohe Feldverstärkungen über einen breiten Wellenlängenbereich zu liefern in der Lage ist. Goldaggregate sind auf die Anregung im langwelligen Bereich beschränkt.…”

“…Goldaggregate sind auf die Anregung im langwelligen Bereich beschränkt. [17] Die Funktionalisierung von Silbernanopartikeln mit thiolisierter DNA gestaltet sich schwieriger als die von Goldpartikeln:D ie verhältnismäßig schwächere Ag-S-Bindung führt zu einer schnelleren Ablçsung der DNA-Stränge von der Silberoberfläche, [18] außerdem unterscheidet sich das unspezifische Adsorptionsverhalten der Nukleinbasen auf der Silberoberfläche. [19] Beim hier angewandten Beschichtungsprotokoll wurde dem Rechnung getragen durch:(i) eine vorgeschaltete Beschichtung mit Bis(p-sulfonatophenyl)phenylphosphin, [20] (ii)V erankerung der DNAa uf großen Partikeln durch Kopfgruppen mit zwei Thiolen, [21] (iii)Beschichtung bei 40 8 8C [22] ,u nd (iv) eine besonders milde Salzreifungsprozedur.…”