Molecular Plasmonics with Tunable Exciton-Plasmon Coupling Strength in J-Aggregate Hybridized Au Nanorod Assemblies

Controlling coherent electromagnetic interactions in molecular systems is a problem of both fundamental interest and important applicative potential in the development of photonic and opto-electronic devices. The strength of these interactions determines both the absorption and emission properties of molecules coupled to nanostructures, effectively governing the optical properties of such a composite metamaterial. Here we report on the observation of strong coupling between a plasmon supported by an assembly of oriented gold nanorods (ANR) and a molecular exciton. We show that the coupling is easily engineered and is deterministic as both spatial and spectral overlap between the plasmonic structure and molecular aggregates are controlled. We think that these results in conjunction with the flexible geometry of the ANR are of potential significance to the development of plasmonic molecular devices.

Development of a Diagnostic Genetic Test for Simplex and Autosomal Recessive Retinitis Pigmentosa

PURPOSE: Retinitis pigmentosa (RP) causes hereditary blindness in adults (prevalence, approximately 1 in 4000). Each of the more than 30 causative genes identified to date are responsible for only a small percentage of cases. Genetic diagnosis via traditional methods is problematic, and a single test with a higher probability of detecting the causative mutation would be very beneficial for the clinician. The goal of this study therefore was to develop a high-throughput screen capable of detecting both known mutations and novel mutations within all genes implicated in autosomal recessive or simplex RP. DESIGN: Evaluation of diagnostic technology. PARTICIPANTS AND CONTROLS: Participants were 56 simplex and autosomal recessive RP patients, with 360 population controls unscreened for ophthalmic disease. METHODS: A custom genechip capable of resequencing all exons containing known mutations in 19 disease-associated genes was developed (RP genechip). A second, commercially available arrayed primer extension (APEX) system was used to screen 501 individual previously reported variants. The ability of these high-throughput approaches to identify pathogenic variants was assessed in a cohort of simplex and autosomal recessive RP patients. MAIN OUTCOME MEASURES: Number of mutations and potentially pathogenic variants identified. RESULTS: The RP genechip identified 44 sequence variants: 5 previously reported mutations; 22 known single nucleotide polymorphisms (SNPs); 11 novel, potentially pathogenic variants; and 6 novel SNPs. There was strong concordance with the APEX array, but only the RP genechip detected novel variants. For example, identification of a novel mutation in CRB1 revealed a patient, who also had a single previously known CRB1 mutation, to be a compound heterozygote. In some individuals, potentially pathogenic variants were discovered in more than one gene, consistent with the existence of disease modifier effects resulting from mutations at a second locus. CONCLUSIONS: The RP genechip provides the significant advantage of detecting novel variants and could be expected to detect at least one pathogenic variant in more than 50% of patients. The APEX array provides a reliable method to detect known pathogenic variants in autosomal recessive RP and simplex RP patients and is commercially available. High-throughput genotyping for RP is evolving into a clinically useful genetic diagnostic tool.

Plasmonic nanorod metamaterials for biosensing.

Label-free plasmonic biosensors rely either on surface plasmon polaritons or on localized surface plasmons on continuous or nanostructured noble-metal surfaces to detect molecular-binding events(1-4). Despite undisputed advantages, including spectral tunability(3), strong enhancement of the local electric field(5,6) and much better adaptability to modern nanobiotechnology architectures(7), localized plasmons demonstrate orders of magnitude lower sensitivity compared with their guided counterparts(3). Here, we demonstrate an improvement in biosensing technology using a plasmonic metamaterial that is capable of supporting a guided mode in a porous nanorod layer. Benefiting from a substantial overlap between the probing field and the active biological substance incorporated between the nanorods and a strong plasmon-mediated energy confinement inside the layer, this metamaterial provides an enhanced sensitivity to refractive-index variations of the medium between the rods (more than 30,000nm per refractive-index unit). We demonstrate the feasibility of our approach using a standard streptavidin-biotin affinity model and record considerable improvement in the detection limit of small analytes compared with conventional label-free plasmonic devices.

Optical transmission properties and electric field distribution of interacting 2D silver nanorod Arrays

Silver nanorods have been grown by electrodeposition into thin film porous alumina templates (AAO). Optical transmission measurements using p-polarized incident white light shows clear plasmon resonance extinction peaks. We successfully model the dependence on angle in incidence of extinction peak height and position using a multiple-multipoles (MMP) approach with the different spectral features being clearly associated with the effective electric field distribution and coupling between individual nanorods.

Wavelength Dependence of Raman Enhancement from Gold Nanorod Arrays: Quantitative Experiment and Modeling of a Hot Spot Dominated System

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectra from molecules adsorbed on the surface of vertically aligned gold nanorod arrays exhibit a variation in enhancement factor (EF) as a function of excitation wavelength that displays little correlation with the elastic optical properties of the surface. The key to understanding this lack of correlation and to obtaining agreement between experimental and calculated EF spectra lies with consideration of randomly distributed, sub-10 nm gaps between nanorods forming the substrate. Intense fields in these enhancement “hot spots” make a dominant contribution to the Raman scattering and have a very different spectral profile to that of the elastic optical response. Detailed modeling of the electric field enhancement at both excitation and scattering wavelengths was used to quantitatively predict both the spectral profile and the magnitude of the observed EF.

Domain Wall Propagation in Meso and Nanoscale Ferroelectrics

As part of an ongoing programme to evaluate the extent to which external morphology alters domain wall mobility in ferroelectrics, the electrical switching characteristics of single-crystal BaTiO3 nanorods and thin film plates have been measured and compared. It was found that ferroelectric nanorods were more readily switched than thin plates; increasing the shape constraint therefore appears to enhance switchability. This observation is broadly consistent with previous work, in which local notches patterned along the length of nanorods enhanced switching (McMillen et al 2010 Appl. Phys. Lett. 96 042904), while antinotches had the opposite effect (McQuaid et al 2010 Nano Lett. 10 3566). In this prior work, local enhancement and denudation of the electric field was expected at the notch and antinotch sites, respectively, and this was thought to be the reason for the differences in switching behaviour observed. However, for the simple nanorods and plates investigated here, no differences in the electric field distributions are expected. To rationalise the functional measurements, domain development during switching was imaged directly by piezoresponse force microscopy. A two-stage process was identified, in which narrow needle-like reverse domains initially form across the entire interelectrode gap and then subsequently coarsen through domain wall propagation perpendicular to the applied electric field. To be consistent with the electrical switching data, we suggest that the initial formation of needle domains occurs more readily in the nanorods than in the plates.

Directed self-assembly of nanorod networks: bringing the top down to the bottom up

Self-assembled electrodeposited nanorod materials have been shown to offer an exciting landscape for a wide array of research ranging from nanophotonics through to biosening and magnetics. However, until now, the scope for site-specific preparation of the nanorods on wafers is limited to local area definition. Further there is little or no lateral control of nanorod height. In this work we present a scalable method for controlling the growth of the nanorods in the vertical direction as well as their lateral position. A focused ion beam (FIB) pre-patterns the Au cathode layer prior to the creation of the Anodized Aluminium Oxide (AAO) template on top. When the pre-patterning is of the same dimension to the pore spacing of the AAO template, lines of single nanorods are successfully grown. Further, for sub-200 nm wide features a relationship between the nanorod height and distance from non-patterned cathode can be seen to follow a quadratic growth rate obeying Faradays law of electrodeposition. This facilitates lateral control of nanorod height combined with localised growth of the nanorods.

Surface plasmon resonance-based inhibition assay for real-time detection of Cryptosporidium parvum oocyst

A surface plasmon resonance (SPR)-based inhibition assay method using a polyclonal anti-mouse IgM arrayed Cryptosporidium sensor chip was developed for the real-time detection of Cryptosporidium parvum oocysts. The Cryptosporidium sensor chip was fabricated by subsequent immobilization of streptavidin and polyclonal anti-mouse IgM (secondary antibody) onto heterogeneous self-assembled monolayers (SAMs). The assay consisted of the immunoreaction step between monoclonal anti-C. parvum oocyst (primary antibody) and oocysts, followed by the binding step of the unbound primary antibody onto the secondary antibody surface. It enhanced not only the immunoreaction yield of the oocysts by batch reaction but also the accessibility of analytes to the chip surface by antibody–antibody interaction. Furthermore, the use of optimum concentration of the primary antibody maximized its binding response on the chip. An inversely linear calibration curve for the oocyst concentration versus SPR signal was obtained in the range of 1×106–1×102 oocysts ml-1. The oocyst detection was also successfully achieved in natural water systems. These results indicate that the SPR-based inhibition assay using the Cryptosporidium sensor chip has high application potential for the real-time analysis of C. parvum oocyst in laboratory and field water monitoring.

A new method for non-labeling attomolar detection of diseases based on an individual gold nanorod immunosensor

Herein, we present the use of a single gold nanorod sensor for detection of diseases on an antibody-functionalized surface, based on antibody–antigen interaction and the localized surface plasmon resonance (LSPR) ?max shifts of the resonant Rayleigh light scattering spectra. By replacing the cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a tightly packed self-assembled monolayer of HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH(OEG6) has been successfully formed on the gold nanorod surface prior to the LSPR sensing, leading to the successful fabrication of individual gold nanorod immunosensors. Using prostate specific antigen (PSA) as a protein biomarker, the lowest concentration experimentally detected was as low as 111 aM, corresponding to a 2.79 nm LSPR ?max shift. These results indicate that the detection platform is very sensitive and outperforms detection limits of commercial tests for PSA so far. Correlatively, its detection limit can be equally compared to the assays based on DNA biobarcodes. This study shows that a gold nanorod has been used as a single nanobiosensor to detect antigens for the first time; and the detection method based on the resonant Rayleigh scattering spectrum of individual gold nanorods enables a simple, label-free detection with ultrahigh sensitivity.

Rotman Lens Used as a Demultiplexer/Multiplexer

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A new type of microwave demultiplexer is proposed which combines an arrayed waveguide grating (AWG) and a Rotman lens. The dispersion property of an AWG is employed to produce different phase slope responses for different frequencies, while the Rotman lens routes the frequency components onto different ports. To optimize isolation performance, the design constraints of both the AWG and the Rotman lens are re-examined and new design criteria elaborated. The optimized design is demonstrated of being capable of achieving 15 dB channel isolation over a 25% band range centered at 10 GHz. While a design based on a conventional Rotman lens yields isolation level of around 6 dB over a 9% band range centered at 10GHz.

Tuneable magneto-optical metamaterials based on photonic resonances in nickel nanorod arrays

We investigate the magneto-optical properties of a nanostructured metamaterial comprised of arrays of nickel nanorods embedded in an anodized aluminum oxide template. The rods are grown using a self-assembly bottom-up technique that provides a uniform, quasi-hexagonal array over a large area, quickly and at low cost. The tuneability of the magneto-optic response of the material is investigated by varying the nanorod dimensions: diameter, length and inter-rod spacing as well as the overall thickness of the template. It is demonstrated that the system acts as a sub-wavelength light trap with enhanced magneto-optical properties occurring at reflectivity minima corresponding to photonic resonances of the metamaterial. Changes in dimensions of the nickel rods on the order of tens of nanometers cause a spectral blue-shift in the peak magneto-optical response of 270 nm in the visible range. A plasmonic enhancement is also observed at lower wavelengths, which becomes increasingly damped with larger diameters and increased volume fraction of nickel inclusions. This type of structure has potential applications in high density magneto-optical data storage (up to 1011–12 rods per square inch), ultrafast magneto-plasmonic switching and optical components for telecommunications.

Spin-wave modes in Ni nanorod arrays studied by Brillouin light scattering

Dynamic magnetic properties of arrays of Ni nanorods with a low aspect ratio have been investigated. It has been shown that the spectra of spin-wave resonances localized on nanorods with a low aspect ratio typically feature the presence of zones with high density of states resulting in a characteristic two-peak pattern of Stokes and anti-Stokes lines of magneto-optical (MO) Brillouin light scattering with pronounced Stokes–anti-Stokes (S-AS) asymmetry. A simple theoretical model based on the analysis of the elliptic character of the polarization of the optical wave interacting with a dipole magnetostatic wave has been proposed. It has been shown that the S-AS asymmetry is due entirely to the asymmetry of the MO interaction efficiency with respect to time reversal of the magnetic precession in a magnon.

Ultrasensitive non-resonant detection of ultrasound with plasmonic metamaterials

Optical sensors for ultrasound detection provide high sensitivity and bandwidth, essential for photoacoustic imaging in clinical diagnostics and biomedical research. Implementing plasmonic metamaterials in a non-resonant regime facilitates sub-nanosecond, highly sensitive detectors while eliminating cumbersome optical alignment necessary for resonant sensors.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Persistent luminescence of SrAl2O4:Ce(III), Dy, Eu nanotubes, nanowires and core-shells for people with disabilities: nano-emergency

Este estudo transversal está focado na propriedade de luminescência persistente do aluminato de estrôncio co-dopado com cério (III), disprósio (III) e európio (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, em sistemas de sinalização de áreas de risco e emergências para pessoas com deficiências. Na área da ciência e engenharia dos materiais, foram desenvolvidos novos materiais com características nanométricas, nanotubos, nanoarames e nanobastões luminescentes de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ para aplicações na área da reabilitação e acessibilidade de pessoas com deficiências. Os nanotubos foram obtidos a partir de micro- e nano-partículas precursoras sintetizadas por reacção do estado-sólido e tratamento térmico de recozedura (1273-1473 K). Os nanoarames e nanobastões foram preparados por moagem, sonificação e recozedura (373 K). Novas nanocápsulas de aluminatos luminescentes dopados com cério (III) e encapsulados com TiO2 foram criadas de modo a obter-se materiais multifuncionais, designadamente com acção fotocatalítica antimicrobiana, antibacteriana e resistência à água. Tais aluminatos podem ser amplamente aplicados como superfícies higiénicas, auto-limpantes, em biomateriais, no domínio de medicamentos antibióticos, na formulação de vacinas, e com ênfase à aplicação em cerâmicas fotoluminescentes. As metodologias de obtenção de tais nanoestruturas de aluminato de estrôncio dopado com cério (III) e do seu encapsulamento, desenvolvidas no âmbito desta tese, são aplicáveis a diversos aluminatos dopados com outros iões lantanídeos (Ln consiste em La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm ou Lu) com a fórmula M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny, onde M é Be, Mg, Ca, Sr ou Ba. Na área da oftalmologia, foi desenvolvido um equipamento médico para o diagnóstico de biofuncionalidade das células retinais fotoreceptoras, e como suporte à telemedicina oftalmológica. Este equipamento foi utilizado para realizar testes de visão cromática FM100HUE em fundo branco/preto para a personalização de materiais luminescentes. Os resultados demonstraram uma biofuncionalidade celular à visibilidade fotópica das cores em fundo preto superior no grupo de tratamento, composto por pessoas com retinopatia diabética (n=38), em comparação ao grupo de referência (n=38). Estes resultados sugerem a recomendação de materiais com fotoluminescência persistente (λem=485-555 nm), incluindo SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, para o referido grupo de tratamento, em sinalização de emergência e em ambientes de baixa iluminação. Na área da arquitectura, foi proposta uma nova aplicação dos referidos nanomateriais luminescentes à base de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ em cerâmica de revestimento, tendo em vista a sua boa visibilidade e uso por pessoas com deficiências. Novos pavimentos, cerâmicos, fotoluminescentes, foram desenhados com propriedades multisensoriais (contraste táctil, sonoro e visual) e antimicrobianas, para pessoas portadoras de deficiências utilizarem, no escuro, com a prioridade de salvar vidas em emergências. Tais pisos, com relevos, podem ser combinados de modo a compor um sistema exclusivo de sinalização fotoluminescente multisensorial que possibilita a rápida evacuação mediante o uso de auxílios de mobilidade (e.g. bengala, cadeira de rodas, andadores, muletas). A solução integrada de tais inovações que potencializa a propriedade de luminescência persistente de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ de modo acessível para as pessoas com deficiências, pode contribuir para salvar vidas, no escuro, em emergências.