Nano-Antennes Assemblées sur ADN et Alimentées par un Émetteur Quantique Unique

Gold nanostructures act as optical antennas : they couple efficiently in the near field to photon emitters in order to enhance their radiation the far field. A typical way to design nanoantennas is to couple the plasmonic modes of several nanoparticles positioned a few nanometers apart. We demonstrate here how gold nanoparticle dimers can be assembled around a DNA double-strand that features a single dye molecule. Using electrophoresis, we purify 36 nm diameter gold particles preferentially linked to a single DNA single strand. Hybridization of complementary sequences drives the assembly of dimers with spacings ranging between 7 and 18 nm. Shortening the DNA linker induces a clear red shift of the plasmon resonance wavelength as observed in scattering spectroscopy. A statisitcal analysis of scattering spectra is performed over several dozens of groupings and correlated with cryo-electron microscopy images and theoretical calculations. By adding a single molecule in the centre of the particle dimers, we observe accelerated single photon emission in time-correlated fluorescence measurements. Efficient coupling between the active photon source and the passive gold nanostructure enhances the spontaneous emission rate by up to two orders of magnitude. Ensebmle measurements in fluorescence correlation spectroscopy also indicate a one order of magnitude enhancement of the molar extinction coefficient and an increase of the fluorescence count rates for the shortest dimers while the quantum yield is significantly reduced. Dye molecule driven gold particle dimers thus operate effectively as antennas for light.Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires