DNA折纸技术精准调控单发射体与介电纳米粒子的距离依赖性相互作用研究

这篇研究通过DNA折纸技术（DNA origami）实现了有机荧光团与硅纳米粒子（SiNPs）的纳米级精确定位，首次在单分子水平揭示了高折射率介电纳米粒子（HRID NPs）与荧光团的相互作用机制。研究发现相较于金属纳米天线，硅纳米粒子在可见光范围内能显著增强辐射衰减率（kr）而不引起荧光淬灭，即使当ATTO 542/647N染料与粒子表面距离仅7nm时仍保持高荧光量子产率（φ≈0.93/0.65）。该工作为开发低损耗纳米光子器件提供了新思路。

　　

光学纳米天线通过调控纳米尺度光-物质相互作用，能显著改变附近单光子发射体的发光特性。传统金属纳米结构虽能产生强电场增强，但其欧姆损耗会引发严重的荧光淬灭。高折射率介电材料（HRID）如硅、锗等因支持电/磁Mie共振且损耗极低，成为极具潜力的替代方案。

研究团队创新性地采用DNA折纸技术构建了三种不同间距（7/20/80nm）的染料-硅纳米粒子（SiNP，直径140±8nm）复合体系。通过荧光寿命成像（FLIM）和扫描电镜（SEM）联用技术，在单分子水平观察到：当ATTO 542染料距SiNP表面7nm时，辐射衰减率增强近3倍（k_r/k_r⁰≈3），而非辐射衰减率基本不变（k_nr/k_nr⁰<1）。这种特性与金纳米粒子形成鲜明对比——后者在相同距离下非辐射衰减率会超过辐射衰减率30倍。

实验数据显示，在可见光范围内（对应ATTO 542的绿光波段和ATTO 647N的红光波段），SiNPs均表现出宽带增强效应。特别在542nm波段，由于更匹配SiNP的磁偶极共振模式，其寿命缩短幅度（τ/τ⁰≈0.4）显著大于647nm波段。数值模拟进一步验证：染料偶极矩的径向与切向取向会导致2-3倍的辐射增强差异，但非辐射过程始终保持在低水平。

这种独特的距离依赖性源于介电材料与金属的本质差异：SiNPs通过Purcell效应（与模式Q因子/体积成正比）增强局域态密度（LDOS），而非通过近场耦合引发能量耗散。即便在7nm极短距离下，体系仍保持>90%的原始荧光强度，这突破了金属纳米天线必须使用间隔层（spacer）来避免淬灭的传统限制。

该研究不仅证实了DNA折纸技术对介电纳米粒子的精确定位能力（误差<2nm），更开辟了诸多应用前景：在生物传感领域，可直接将识别分子固定在SiNP表面而不必担心荧光猝灭；在量子光源方面，能构建高效率的单光子发射器；对于定向荧光器件，可结合电/磁共振模式实现发射图案调控。这些发现为发展低损耗集成光子器件提供了重要理论依据和实验范式。