Nanophotonic antennas for enhanced single-molecule fluorescence detection and nanospectroscopy in living cells membranes
Authors:   , Regmi Raju 
Published: October 2023

Single-molecule fluorescence spectroscopy has revolutionized the field of biophysical sciences by enabling visualization of dynamic molecular interactions and nanoscopic features with high spatiotemporal resolution. Monitoring enzymatic reactions and studying diffusion dynamics of individual molecules (such as lipids and proteins) help us understand how these nanoscopic entities influence and control various biochemical processes. Nanophotonic antennas can efficiently localize electromagnetic radiation into nanoscale spatial dimensions comparable to single bio-molecules (<10 nm). These ultra-confined illumination hotspots thereby offer opportunity to follow single-molecule events at physiological expression levels.

In this thesis, we explore various photonic nanoantenna platforms (double nanohole apertures, dimer nanogap antennas and planar "antenna-in-box'') and demonstrate their application in enhanced single-molecule fluorescence detection. Using fluorescence burst analysis, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-correlated TCSPC measurements, and near field simulations, we quantify nanoantenna detection volumes, fluorescence enhancement factors and discuss the fluorescence photodynamic accelerations mediated by optical nanoantennas. An alternative to plasmonic structures, all-dielectric nanoantenna based on silicon nanogap is also demonstrated to enhance the fluorescence detection of single molecules diffusing in concentrated solutions.

Further, using resonant planar "antenna-in-box'' devices we investigate the diffusion dynamics of phosphoethanolamine and sphingomyelin on the plasma membrane of living cells and discuss the results in the context of lipid rafts. Together with cholesterol depletion experiments, we provide evidence of cholesterol-induced nanodomain partitioning within less than 10 nm diameters and characteristic times being ~100 microseconds
La espectroscopia de fluorescencia de una sola molecula ha revolucionado el campo de las ciencias biofisicas, permitiendo la visualizacion de interacciones moleculares dinamicas y caracteristicas nanoscopicas con alta resolucion espaciotemporal. La monitorizacion de las reacciones enzimaticas y el analisis de la dinamica de difusion de moleculas individuales (como lipidos y proteinas) nos ayudan a comprender como estas entidades nanoscopicas influyen y controlan diversos procesos bioquimicos. Las antenas nanofotonicas pueden localizar eficientemente la radiacion electromagnetica en dimensiones espaciales en nanoescala, comparables a biomoleculas unicas (<10 nm). Estos hotspots de iluminacion ultra configurados ofrecen de este modo la oportunidad de monitorizar eventos de molecula unica a niveles de expresion fisiologica. En esta tesis, exploramos varias plataformas fotonicas de nanoantenas (double nanohole aperture, dimero nanogap antenas y "antenna-in-box" planares) y demostramos su aplicacion en la mejora de la deteccion una sola molecula de fluorescencia. Utilizando el analisis por explosion de fluorescencia, espectroscopia de correlacion de fluorescencia (FCS), medidas TCSPC correlacionadas en el tiempo y simulaciones de campo cercano, cuantificamos volumenes de deteccion de nanoantenas, factores de mejora de fluorescencia y discutimos las aceleraciones fotodinámicas de fluorescencia mediada por nanoantennas opticas. Las nanoantennas dielectricas basadas en nanogaps de silico se han propuesto como una alternativa en el realce de la deteccion de fluorescencia de difusion de moleculas unicas en soluciones concentradas. Ademas, utilizando dispositivos resonantes planares de "antenna-in-box", investigamos la dinamica de difusion de la fosfoetanolamina y la esfingomielina en la membrana plasmatica de las celulas vivas y discutimos los resultados en el contexto de las balsas lipidicas. Junto con experimentos de dismincion de colesterol, proporcionamos pruebas de division inducida por colesterol en el nanodominio dentro de diametros menors de 10 nm y con tiempos caracteristicos de ~100 microsegundos.
La spectroscopie de fluorescence d'une seule molécule a révolutionné le domaine des sciences biophysiques, permettant la visualisation d'interactions moléculaires dynamiques et de caractéristiques nanoscopiques à haute résolution spatio-temporelle. Le suivi des réactions enzymatiques et l'analyse de la dynamique de diffusion des molécules individuelles (telles que les lipides et les protéines) nous aident à comprendre comment ces entités nanoscopiques influencent et contrôlent divers processus biochimiques. Les antennes nanophotoniques peuvent localiser efficacement le rayonnement électromagnétique à des dimensions spatiales nanométriques, comparables à des biomolécules uniques (<10 nm). Ces hotspots d'éclairage ultra-configurés offrent la possibilité de surveiller les événements de molécules uniques à des niveaux d'expression physiologiques. Dans ce mémoire, nous examinons plusieurs plates-formes photoniques nanoantennas (nanotrou à double ouverture, I antennes Dimer nanoespace et plane « antenne-in-box ») et de démontrer son application dans l'amélioration de la détection d'une fluorescence seule molécule. Utilisation de l'analyse par spectroscopie de fluorescence d'explosion corrélation de fluorescence (FCS), les mesures TCSPC corrélées dans le temps et proches des simulations champ quantifier les volumes de détection de nanoantennas, les facteurs d'amélioration fluorescence et discuter des accélérations photodynamiques fluorescence médiée nanoantennas opticas. Des nanoantennas diélectriques à base de nanogap silico ont été proposées comme alternative dans l'amélioration de la détection par fluorescence de la diffusion de molécules uniques dans des solutions concentrées. En outre, l'utilisation de "plan d'antenne-in-box" dispositifs de résonance, nous étudions la dynamique de diffusion de phosphoéthanolamine et sphingomyéline dans la membrane plasmique des cellules vivantes et de discuter des résultats dans le contexte des radeaux lipidiques. Conjointement avec des expériences de réduction du cholestérol, nous fournissons des tests de division induits par le cholestérol dans le nanodomaine dans des diamètres plus petits de 10 nm et avec des temps caractéristiques de ~ 100 microsecondes.