Nanoelectromechanical photothermal microscopy and spectroscopy for single-molecule detection and imaging at room temperature

Abstract

In recent decades, label-free single-molecule microscopy has become a cornerstone of fundamental research [1]. Label-free imaging techniques enable the detection of the authentic system dynamics, while by passing the photobleaching issue of the markers.The single-molecule sensitivity further allows the characterization of individual molecules without statistical averaging.Inspired by the high thermal responsivity of the nanomechanical silicon nitride resonators [2], this work presents a platform for label-free photothermal detection and imagingbased on nanomechanical silicon nitride resonators. By tracking the frequency shift of the nanomechanical resonator caused by the photothermal heating of the targetmolecules or nanoparticles, the absorption cross section can be accurately quantified.The obtained absorption cross section of gold nanoparticles is highly consistent with theMie theory model. The capability of single-molecule detection is demonstrated after aseries of optimizations, with an ultimate sensitivity of 16 fW/√Hz. This is three orders of magnitude better than the state-of-the-art photothermal microscopy, with a sensitivity in the tens of pW/√Hz regime [3]. To achieve high sensitivity, several optimizations havebeen made, including:1. The stress engineering of the nanomechanical resonators with oxygen plasma post-treatment and photothermal heating of the resonators. An ultimate low tensilestress of ≈ 0.8 MPa is achieved.2. The geometry engineering of the nanomechanical resonators for better thermalisolation. Trampoline resonators with optimized geometric design are developed.3. Different transduction schemes are explored, including the vibrometric readout and inductive transduction. The responsivity, noise and sensitivity between the two detection schemes are discussed theoretically and experimentally. The optimizationson the signal-to-noise ratio are implemented.With the optimized nanomechanical resonators, an optical setup with multi-wavelengthlasers and nanopositioning stage is implemented. The spectroscopic analysis of the molecules is demonstrated. Both quantitative and qualitative properties of the target molecules can be obtained with this technique. With the high contrast of the imaging, a localization precision of 3 Å is obtained. This provides a good basis for localization microscopy.As an extensive application of the nanomechanical platform, the capability of determining the carbon content of a nanostructure with limited interaction volume is demonstrated,which has been a challenge for some conventional techniques such as energy dispersive spectroscopy (EDX). By quantifying the optical absorption cross section of the nanostructures, the concentration of carbon can be determined.Inspired by the position-dependent absorption of the nanoparticles, a position-sensitivedetector was developed based on minor modifications of our existing system. A dis-placement sensitivity of 4 pm/√Hz has been achieved, which is one to three order of magnitude better than the commercial semiconductor-based segmented position-sensitivedetector. The good long-term stability has also been demonstrated. This can hopefully provide a new alternative for in-plane position tracking with high precision.This work demonstrates several applications of the nanomechanical photothermal sensing,with state-of-the-art sensitivity in several important domains. The theoretical and experimental investigations on the transduction and responsivity engineering hopefully provides a solid foundation for the future development of the related technology.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die markierungsfreie Einzelmolekülmikroskopie zu einem Eckpfeiler der Grundlagenforschung entwickelt [1]. Markierungsfreie Bildgebungsverfahren ermöglichen den Nachweis der authentischen Systemdynamik, wobei das Problem des Photobleaching der Marker umgangen wird. Die Empfindlichkeit der Einzelmoleküle ermöglicht außerdem die Charakterisierung einzelner Moleküle ohne statistische Mittelwertbildung. Inspiriert durch die hohe thermische Empfindlichkeit der nanomechanischen Siliziumnitrid-Resonatoren [2] wird in dieser Arbeit eine Plattform für markierungsfreie photothermische Detektion und Bildgebung auf der Grundlage nanomechanischer Siliziumnitrid-Resonatoren vorgestellt. Durch die Verfolgung der Frequenzverschiebung des nanomechanischen Resonators, die durch die photothermische Erwärmung der Zielmoleküle oder Nanopartikel verursacht wird, kann der Absorptionsquerschnitt genau quantifiziert werden. Der ermittelte Absorptionsquerschnitt von Goldnanopartikeln stimmt weitgehend mit dem Modell der Mie-Theorie überein. Die Fähigkeit zur Single-molecule-detektion wurde nach einer Reihe von Optimierungen mit einer maximal möglichen Empfindlichkeit von 16 fW/√Hz nachgewiesen. Dies ist um drei Größenordnungen besser als der Stand der Technik bei der photothermischen Mikroskopie mit einer Empfindlichkeit im Bereich von einigen zehn pW/√Hz [3]. Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wurden mehrere Optimierungen vorgenommen, unter anderem1. Das Stress-Engineering der nanomechanischen Resonatoren mit Sauerstoffplasma-Nachbehandlung und photothermischer Erwärmung der Resonatoren. Es wird eine niedrige Zugspannung von ≈ 0.8 MPa erreicht.2. Die Geometrie-Engineering der nanomechanischen Resonatoren für eine bessere thermische Isolierung. Es werden Trampolinresonatoren mit optimiertem geometrischem Design entwickelt.3. Es werden verschiedene Transduktionsverfahren erforscht, darunter die vibrometrische Auslesung und die induktive Transduktion. Das Ansprechverhalten, das Rauschen und die Empfindlichkeit der beiden Erkennungssysteme werden theoretisch und experimentell diskutiert. Die Optimierungen des Signal-Rausch-Verhältnisses werden umgesetzt. Mit den optimierten nanomechanischen Resonatoren wird ein optischer Aufbau mit Multi-Wellenlängen-Lasern und Nanopositionierungsstufe realisiert. Die spektroskopische Analyse der Moleküle wird demonstriert. Mit dieser Technik können sowohl quantitative als auch qualitative Eigenschaften der Zielmoleküle ermittelt werden. Durch den hohen Kontrast der Bildgebung wird eine Lokalisierungsgenauigkeit von 3 Å erreicht. Dies bietet eine gute Grundlage für die Lokalisationsmikroskopie.Als umfassende Anwendung der nanomechanischen Plattform wird die Fähigkeit demonstriert, den Kohlenstoffgehalt einer Nanostruktur mit begrenztem Wechselwirkungsvolumen zu bestimmen, was für einige herkömmliche Techniken wie die Energie Dispersive Spektroskopie (EDX) eine Herausforderung darstellt. Durch Quantifizierung des optischen Absorptionsquerschnitts der Nanostrukturen kann die Kohlenstoffkonzentration bestimmt werden.Inspiriert durch die positionsabhängige Absorption der Nanopartikel wurde ein positionsempfindlicher Detektor entwickelt, der auf geringfügigen Änderungen unseres bestehenden Systems basiert. Es wurde eine Displacement-Empfindlichkeit von 4 pm/√Hzerreicht, die um eine bis drei Größenordnungen besser ist als die des kommerziellen segmentierten positionsempfindlichen Detektors auf Halbleiterbasis. Auch eine gute Langzeitstabilität wurde nachgewiesen. Dies kann hoffentlich eine neue Alternative für die Positionsverfolgung in der Ebene mit hoher Präzision darstellen.Diese Arbeit demonstriert mehrere Anwendungen der nanomechanischen photothermischen Sensorik, mit außerordentlicher Empfindlichkeit in mehreren wichtigen Bereichen.Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Transduktions- und Reaktionsfähigkeitstechnik bilden hoffentlich eine solide Grundlage für die künftige Entwicklung weiterführender Technologien.