Nanoscale control of near-field interactions between single emitters and photonic antennas-on-probe

Abstract

Photonic antennas are metallic (or dielectric) nanoscale structures that convert propagating light into highly confined fields, and vice versa, in analogy to common radio antennas but on nanometric scales that lead to interaction with light. As such, they can enhance and confine electric fields at the nanoscale. These properties can be exploited in applications that require high signal-to-background ratios and sub-diffraction illumination volumes, such as for super-resolution microscopy or in bio-sensing at high physiological concentrations. Furthermore, when in close proximity to single emitters, photonic antennas can affect their emission properties. This latter property allows for improving fluorophore characteristics, such as reduced photobleaching or increased quantum yield. Although there are already numerous studies on these effects and their possible applications, some of the properties of photonic antennas are still not fully understood or exploited. Moreover, the degree by which optical antennas influence fluorescence properties depends crucially on the near-field interaction between the emitter and the antenna. This requires ultimate control of their relative position and orientation which has been challenging to achieve in most experimental configurations. This Thesis aims to study interactions between antennas and emitters in contexts that have not been deeply studied yet, and to use them for applications where they allow us to observe molecular mechanisms that are not accessible with conventional diffraction-limited optical methods. The research has revolved around fabrication and the application of photonic antennas engineered at the apex of tapered optical fibres and manipulated using a near-field scanning optical microscope. Such an approach guarantees full control of the antenna position with respect to the sample with nanometric precision. We developed and characterized new antenna designs with different optical properties tuned for the specific application of interest. For example, most antenna designs are aimed to enhance the electric field, ignoring the magnetic contribution of the total field. In this Thesis, we use dielectric antennas to enhance the emission from magnetic dipoles. This opens new fields of application of nanoantennas, such as increased sensitivity in chiral spectroscopy. Furthermore, extending the study of photonic antennas and their interaction with multiple emitters commands for new antenna designs that are broadband and thus have the ability of influencing fluorophores with different spectral properties. Most commonly used antennas are resonant in a narrow region of the visible spectrum, so that their applications are restricted to single-colour imaging and/or biosensing. Here, we design antennas to be broadband in the visible spectrum. This is interesting from both fundamental and applied points of view. On the one hand, we used broadband antennas in the context of Förster Resonance Energy Transfer (FRET) to manipulate the interaction between a single donor and a single acceptor emitter on the nanoscale. On the other hand, the fluorescent enhancement for multiple wavelengths opens up the possibility of performing multicolour super-resolution imaging or detecting the interactions between differently labelled species on a living cell. In this Thesis, we combine these broadband antennas with high temporal resolution methods such as Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) or Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS) to investigate the diffusion and interaction of multiple species on the membrane of living cells with both sub millisecond temporal and nanometric spatial resolution. The dissertation finishes with a brief discussion of the main results achieved in this research and proposes new avenues for future research in the field.

Las antenas fotónicas son estructuras nanométricas metálicas (o dieléctricas) que convierten luz que se propaga en campos muy confinados, y vice versa,en analogía con las antenas de radio comunes pero en escalas nanométricas que permiten su interacción con la luz. Como tales, pueden aumentar y confinar campos eléctricos en la nanoescala. Estas propiedades se pueden explotar en aplicaciones que requieren altos niveles de señal sobre el fondo o volúmenes de iluminación por debajo del límite de difracción, como en el caso de la microscopía de superresolution o de la detección de compuestos biológicos a altas concentraciones. Cuando están cerca de emisores individuales, las antenas fotónicas pueden también afectar sus propiedades de emisión. Esto permite mejorar las características de los fluoróforos, reduciendo su 'photobleaching' o incrementando su eficiencia cuántica. Aunque hay numerosos estudios sobre estos efectos y sus posibles aplicaciones, algunas propiedades de las nanoantenas todavía no se comprenden totalmente o no han sido explotadas. Además, el grado en el que las nanoantenas afectan las propiedades de los fluoróforos depende fuertemente de la interacción de campo cercano entre el emisor y la antena. Esto requiere un control muy preciso de su posición y orientación relativas, algo complejo de lograr en la mayoría de las configuraciones experimentales. Esta Tesis estudia las interacciones entre antenas y emisores en contextos que no han sido estudiados en detalle hasta ahora, y las utiliza para aplicaciones donde nos permitirán observar mecanismos moleculares que no son accesibles con métodos ópticos convencionales limitados por difracción. Este estudio se centra en la fabricación y aplicación de nanoantenas construidas en la cara final de fibras ópticas que serán manipuladas usando un microscopio de campo cercano. Esta metodología garantiza un control total de la posición de la antena con respecto a la muestra con precisión nanométrica. Hemos desarrollado y caracterizado nuevos diseños de antena que presentan diferentes propiedades ópticas adaptadas a la aplicación de interés. Por ejemplo, la mayoría de las antenas están diseñadas para incrementar el campo eléctrico, ignorando la contribucón magnética al campo total. En esta Tesis, utilizamos antenas dieléctricas para aumentar la emisión de dipolos magnéticos. Esto abre nuevos campos de aplicación de las nanoantenas, tales como mayor sensibilidad en espectroscopía de quiralidad. Además, para ampliar el estudio de las antenas fotónicas a su interacción con varios emisores se necesitan nuevos diseños de antenas que sean de banda ancha y permitan por tanto afectar fluróforos con distintas propiedades espectrales. La mayoría de las antenas que se utilizan tienen una resonancia bastante estrecha, por lo que sus aplicaiones se limitan a detección o escaneo en un solo color. En esta Tesis, diseñamos antenas con resonancias que abarcan buena parte del espectro visible. Esto es interasante tanto desde el punto de vista fundamental como aplicado. Por un lado, utilizamos estas antenas de banda ancha en el contexto Förster Resonance Energy Transfer (FRET) para manipular la interacción entre un único donante y un único receptor en la nanoescala. Por otro lado, el aumento de fluorescencia en múltiples longitudes de onda abre la posibilidad de realizar imágenes multicolor o de detectar interacciones entre especies con distintos marcajes en células vivas. Aquí combinamos estas antenas de banda ancha con métodos de alta resolución temporal, tales como Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) o Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS), para investigar la difusión e interacción de múltiples especies en la membrana de células vivas, con una resolución espacial de nanómetros y temporal por debajo de los milisegundos. La Tesis finaliza con una breve discusión de los principales resultados alcanzados en esta investigación y propone nuevas vías para futuras investigaciones en el campo.