Electrogenerated chemiluminescence (ECL) is a promising technique for low concentration molecular detection. To improve the detection limit, plasmonic nanoparticles have been proposed as signal boosting antennas to amplify ECL. Previous ensemble studies have hinted that spectral overlap between the nanoparticle antenna and the ECL emitter may play a role in signal enhancement. Ensemble spectroscopy, however, cannot resolve heterogeneities arising from colloidal nanoparticle size and shape distributions, leading to an incomplete picture of the impact of spectral overlap. Here, we isolate the effect of nanoparticle-emitter spectral overlap for a model ECL system, coreaction of tris(2,2′-bipyridyl)dichlororuthenium(ii) hexahydrate and tripropylamine, at the single-particle level while minimizing other factors influencing ECL intensities. We found a 10-fold enhancement of ECL among 952 gold nanoparticles. This signal enhancement is attributed exclusively to spectral overlap between the nanoparticle and the emitter. Our study provides new mechanistic insight into plasmonic enhancement of ECL, creating opportunities for low concentration ECL sensing.

1.
M.
Zhang
,
L.
Ge
,
S.
Ge
,
M.
Yan
,
J.
Yu
,
J.
Huang
, and
S.
Liu
,
Biosens. Bioelectron.
41
,
544
(
2013
).
2.
G.
Aragay
and
A.
Merkoçi
,
Electrochim. Acta
84
,
49
(
2012
).
3.
D.
Acharya
,
P.
Bastola
,
L.
Le
,
A. M.
Paul
,
E.
Fernandez
,
M. S.
Diamond
,
W.
Miao
, and
F.
Bai
,
Sci. Rep.
6
,
32227
(
2016
).
4.
Y.
Yang
,
S.
Zhai
,
C.
Liu
,
X.
Wang
, and
Y.
Tu
,
ACS Omega
4
,
801
(
2019
).
5.
A. J.
Bard
,
Electrogenerated Chemiluminescence
(
Marcel Dekker
,
New York
,
2004
).
6.
W.
Miao
,
J.-P.
Choi
, and
A. J.
Bard
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
14478
(
2002
).
7.
J. I.
Kim
,
I.-S.
Shin
,
H.
Kim
, and
J.-K.
Lee
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
1614
(
2005
).
8.
M.
Zhou
,
G. P.
Robertson
, and
J.
Roovers
,
Inorg. Chem.
44
,
8317
(
2005
).
9.
J.
McCall
,
D.
Bruce
,
S.
Workman
,
C.
Cole
, and
M. M.
Richter
,
Anal. Chem.
73
,
4617
(
2001
).
10.
L. C.
Soulsby
,
D. J.
Hayne
,
E. H.
Doeven
,
D. J. D.
Wilson
,
J.
Agugiaro
,
T. U.
Connell
,
L.
Chen
,
C. F.
Hogan
,
E.
Kerr
,
J. L.
Adcock
,
P. S.
Donnelly
,
J. M.
White
, and
P. S.
Francis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
18995
(
2018
).
11.
H. C.
Moon
,
T. P.
Lodge
, and
C. D.
Frisbie
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
3705
(
2014
).
12.
H. C.
Moon
,
T. P.
Lodge
, and
C. D.
Frisbie
,
J. Mater. Chem. C
4
,
8448
(
2016
).
13.
S.
Kirschbaum-Harriman
,
M.
Mayer
,
A.
Duerkop
,
T.
Hirsch
, and
A. J.
Baeumner
,
Analyst
142
,
2469
(
2017
).
14.
G.
Jie
,
L.
Li
,
C.
Chen
,
J.
Xuan
, and
J.-J.
Zhu
,
Biosens. Bioelectron.
24
,
3352
(
2009
).
15.
Y.
Shan
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Chem. Commun.
45
,
905
(
2009
).
16.
S.
Kirschbaum-Harriman
,
A.
Duerkop
, and
A. J.
Baeumner
,
Analyst
142
,
2648
(
2017
).
17.
J.
Wang
,
Y.
Shan
,
W.-W.
Zhao
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Anal. Chem.
83
,
4004
(
2011
).
18.
H.
Zhou
,
Y.-Y.
Zhang
,
J.
Liu
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
J. Phys. Chem. C
116
,
17773
(
2012
).
19.
Y.-Y.
Zhang
,
Q.-M.
Feng
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
26307
(
2015
).
20.
M.-X.
Li
,
W.
Zhao
,
G.-S.
Qian
,
Q.-M.
Feng
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Chem. Commun.
52
,
14230
(
2016
).
21.
M.-X.
Li
,
Q.-M.
Feng
,
Z.
Zhou
,
W.
Zhao
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Anal. Chem.
90
,
1340
(
2018
).
22.
H.-J.
Lu
,
J.-B.
Pan
,
Y.-Z.
Wang
,
S.-Y.
Ji
,
W.
Zhao
,
X.-L.
Luo
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Anal. Chem.
90
,
10434
(
2018
).
23.
G. V.
Hartland
,
Chem. Rev.
111
,
3858
(
2011
).
24.
P. L.
Stiles
,
J. A.
Dieringer
,
N. C.
Shah
, and
R. P.
Van Duyne
,
Annu. Rev. Anal. Chem.
1
,
601
(
2008
).
25.
C. E.
Talley
,
J. B.
Jackson
,
C.
Oubre
,
N. K.
Grady
,
C. W.
Hollars
,
S. M.
Lane
,
T. R.
Huser
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
5
,
1569
(
2005
).
26.
E. L.
Keller
and
R. R.
Frontiera
,
ACS Nano
12
,
5848
(
2018
).
27.
Y.
Fu
,
J.
Zhang
, and
J. R.
Lakowicz
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
5540
(
2010
).
28.
A. S.
De Silva Indrasekara
,
B.
Shuang
,
F.
Hollenhorst
,
B. S.
Hoener
,
A.
Hoggard
,
S.
Chen
,
E.
Villarreal
,
Y.-Y.
Cai
,
L.
Kisley
,
P. J.
Derry
,
W.-S.
Chang
,
E. R.
Zubarev
,
E.
Ringe
,
S.
Link
, and
C. F.
Landes
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
299
(
2017
).
29.
A.
Bek
,
R.
Jansen
,
M.
Ringler
,
S.
Mayilo
,
T. A.
Klar
, and
J.
Feldmann
,
Nano Lett.
8
,
485
(
2008
).
30.
W.
Zhang
,
M.
Caldarola
,
X.
Lu
,
B.
Pradhan
, and
M.
Orrit
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
20468
(
2018
).
31.
N.
Zou
,
G.
Chen
,
X.
Mao
,
H.
Shen
,
E.
Choudhary
,
X.
Zhou
, and
P.
Chen
,
ACS Nano
12
,
5570
(
2018
).
32.
D.
Wang
,
L.
Guo
,
R.
Huang
,
B.
Qiu
,
Z.
Lin
, and
G.
Chen
,
Sci. Rep.
5
,
7954
(
2015
).
33.
J.-F.
Li
,
C.-Y.
Li
, and
R. F.
Aroca
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
3962
(
2017
).
34.
R.
Regmi
,
A. A.
Al Balushi
,
H.
Rigneault
,
R.
Gordon
, and
J.
Wenger
,
Sci. Rep.
5
,
15852
(
2015
).
35.
P.
Bharadwaj
and
L.
Novotny
,
Opt. Express
15
,
14266
(
2007
).
36.
J. R.
Lakowicz
,
Anal. Biochem.
337
,
171
(
2005
).
37.
F.
Tam
,
G. P.
Goodrich
,
B. R.
Johnson
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
7
,
496
(
2007
).
38.
S.
Pan
,
J.
Liu
, and
C. M.
Hill
,
J. Phys. Chem. C
119
,
27095
(
2015
).
39.
A. J.
Wilson
,
K.
Marchuk
, and
K. A.
Willets
,
Nano Lett.
15
,
6110
(
2015
).
40.
M.-J.
Zhu
,
J.-B.
Pan
,
Z.-Q.
Wu
,
X.-Y.
Gao
,
W.
Zhao
,
X.-H.
Xia
,
J.-J.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
4010
(
2018
).
41.
D.
Wang
,
L.
Guo
,
R.
Huang
,
B.
Qiu
,
Z.
Lin
, and
G.
Chen
,
Electrochim. Acta
150
,
123
(
2014
).
42.
P.
Perez-Tejeda
,
E.
Grueso
,
A.
Marin-Gordillo
,
C.
Torres-Marquez
, and
R. M.
Giráldez-Pérez
,
ACS Appl. Nano Mater.
1
,
5307
(
2018
).
43.
H.
Minamimoto
,
S.
Oikawa
,
T.
Hayashi
,
A.
Shibazaki
,
X.
Li
, and
K.
Murakoshi
,
J. Phys. Chem. C
122
,
14162
(
2018
).
44.
T.
Sannomiya
,
H.
Dermutz
,
C.
Hafner
,
J.
Vörös
, and
A. B.
Dahlin
,
Langmuir
26
,
7619
(
2010
).
45.
L.
Scarabelli
,
M.
Coronado-Puchau
,
J. J.
Giner-Casares
,
J.
Langer
, and
L. M.
Liz-Marzán
,
ACS Nano
8
,
5833
(
2014
).
46.
Q.
Zhang
,
L.
Han
,
H.
Jing
,
D. A.
Blom
,
Y.
Lin
,
H. L.
Xin
, and
H.
Wang
,
ACS Nano
10
,
2960
(
2016
).
47.
L.
Sun
,
Q.
Zhang
,
G. G.
Li
,
E.
Villarreal
,
X.
Fu
, and
H.
Wang
,
ACS Nano
11
,
3213
(
2017
).
48.
Y.
Tang
and
W.
Cheng
,
Langmuir
29
,
3125
(
2013
).
49.
R. M.
Wightman
,
S. P.
Forry
,
R.
Maus
,
D.
Badocco
, and
P.
Pastore
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19119
(
2004
).
50.
C.
Sun
,
W.
Lu
,
Y.
Gao
, and
J.
Li
,
Anal. Chim. Acta
632
,
163
(
2009
).
51.
B. S.
Hoener
,
C. P.
Byers
,
T. S.
Heiderscheit
,
A. S.
De Silva Indrasekara
,
A.
Hoggard
,
W.-S.
Chang
,
S.
Link
, and
C. F.
Landes
,
J. Phys. Chem. C
120
,
20604
(
2016
).
52.
C. P.
Byers
,
B. S.
Hoener
,
W.-S.
Chang
,
M.
Yorulmaz
,
S.
Link
, and
C. F.
Landes
,
J. Phys. Chem. B
118
,
14047
(
2014
).
53.
K. W.
Smith
,
J.
Yang
,
T.
Hernandez
,
D. F.
Swearer
,
L.
Scarabelli
,
H.
Zhang
,
H.
Zhao
,
N. A.
Moringo
,
W.-S.
Chang
,
L. M.
Liz-Marzán
,
E.
Ringe
,
P.
Nordlander
, and
S.
Link
,
J. Phys. Chem. C
122
,
13259
(
2018
).
54.
Z.
Chen
and
Y.
Zu
,
Langmuir
23
,
11387
(
2007
).
55.
Y.
Zu
and
A. J.
Bard
,
Anal. Chem.
73
,
3960
(
2001
).
56.
Y.
Zu
and
A. J.
Bard
,
Anal. Chem.
72
,
3223
(
2000
).
57.
M.
Li
,
S. K.
Cushing
, and
N.
Wu
,
Analyst
140
,
386
(
2015
).
58.
M. P.
Singh
and
G. F.
Strouse
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
9383
(
2010
).
59.
M.
Olejnik
,
L.
Bujak
, and
S.
Mackowski
,
Int. J. Mol. Sci.
13
,
1018
(
2012
).
60.
Y.
Chen
,
K.
Munechika
, and
D. S.
Ginger
,
Nano Lett.
7
,
690
(
2007
).
61.
M. R.
Langille
,
M. L.
Personick
,
J.
Zhang
, and
C. A.
Mirkin
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
14542
(
2012
).
62.
E.
Ringe
,
M. R.
Langille
,
K.
Sohn
,
J.
Zhang
,
J.
Huang
,
C. A.
Mirkin
,
R. P.
Van Duyne
, and
L. D.
Marks
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
1479
(
2012
).
63.
C. F.
Bohren
, and
D. R.
Huffman
,
Absorption and Scattering of Light by Small Particles
(
John Wiley & Sons
,
Mörlenbach, Germany
,
1983
).
64.
N.
Félidj
,
J.
Grand
,
G.
Laurent
,
J.
Aubard
,
G.
Lévi
,
A.
Hohenau
,
N.
Galler
,
F. R.
Aussenegg
, and
J. R.
Krenn
,
J. Chem. Phys.
128
,
094702
(
2008
).
65.
A. L.
Demming
,
F.
Festy
, and
D.
Richards
,
J. Chem. Phys.
122
,
184716
(
2005
).
66.
D. A.
Rosen
and
A. R.
Tao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
4134
(
2014
).
67.
M. E.
Stewart
,
C. R.
Anderton
,
L. B.
Thompson
,
J.
Maria
,
S. K.
Gray
,
J. A.
Rogers
, and
R. G.
Nuzzo
,
Chem. Rev.
108
,
494
(
2008
).
68.
Y.-H.
Liau
,
N. F.
Scherer
, and
K.
Rhodes
,
J. Phys. Chem. B
105
,
3282
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.