We present an experimental and theoretical study of the fluorescence rate of a single molecule as a function of its distance to a laser-irradiated gold nanoparticle. The local field enhancement leads to an increased excitation rate whereas nonradiative energy transfer to the particle leads to a decrease of the quantum yield (quenching). Because of these competing effects, previous experiments showed either fluorescence enhancement or fluorescence quenching. By varying the distance between molecule and particle we show the first experimental measurement demonstrating the continuous transition from fluorescence enhancement to fluorescence quenching. This transition cannot be explained by treating the particle as a polarizable sphere in the dipole approximation.

The fluorescence from a single molecule can be strongly enhanced near a metal nanoparticle acting as an optical antenna. We demonstrate the spectral tunability of this antenna effect and show that maximum enhancement is achieved when the emission frequency is red-shifted from the surface plasmon resonance of the particle. Our experimental results, using individual gold and silver particles excited at different laser-frequencies, are in good agreement with an analytical theory which predicts a different spectral dependence of the radiative and non-radiative decay rates.

PurposeTo describe the clinical characteristics, natural history, genetic landscape and phenotypic spectrum of neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL) associated retinal disease.DesignMulticenter retrospective cohort study complemented by a cross-sectional examination.SubjectsTwelve pediatric subjects with biallelic variants in 5 NCL-causing genes (CLN3, CLN6, MFSD8, PPT1, and TPP1).MethodsReview of clinical notes, retinal imaging, electroretinography (ERG), and molecular genetic testing. Two subjects underwent a cross-sectional examination comprising adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy (AOSLO) imaging of the retina and optoretinography (ORG).Main Outcome MeasuresClinical/demographic data, multimodal retinal imaging data, electrophysiology parameters, and molecular genetic testing.ResultsOur cohort included a diverse set of subjects with CLN3-juvenile NCL (n=3), TPP1-late infantile NCL (n=5), PPT1-late infantile or juvenile NCL (n=2), CLN6-infantile NCL (n=1), and CLN7/MFSD8-late infantile NCL (n=1). Five novel pathogenic or likely pathogenic variants were identified. Age at presentation ranged from 2 to 16 years old (mean 7.9 years). Subjects presented with varying phenotypes ranging from severe neurocognitive features (n=8, 67%), including seizures and developmental delays and regressions, to non-syndromic retinal dystrophies (n=2, 17%). Visual acuities at presentation ranged from light perception (LP) to 20/20. In those with recordable ERGs, the traces were electronegative and suggestive of early cone dysfunction. Fundus imaging and OCTs demonstrated outer retinal loss that varied with underlying genotype. High-resolution AO imaging and functional measures with ORG in 2 subjects with atypical TPP1-associated disease revealed significantly different phenotypes of cellular structure and function that could be followed longitudinally.ConclusionsOur cohort data demonstrates that the underlying genetic variants drive the phenotypic diversity in different forms of NCL. Genetic testing can provide molecular diagnosis and ensure appropriate disease management and support for children and their families. With intravitreal enzyme replacement therapy on the horizon as a potential treatment option for NCL-associated retinal degeneration, precise structural and functional measures will be required to more accurately monitor disease progression. We show that adaptive optics imaging and ORG can be used as highly sensitive methods to track early retinal changes which can be used to establish eligibility for future therapies and provide metrics for determining the efficacy of interventions on a cellular scale. To describe the clinical characteristics, natural history, genetic landscape and phenotypic spectrum of neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL) associated retinal disease. Multicenter retrospective cohort study complemented by a cross-sectional examination. Twelve pediatric subjects with biallelic variants in 5 NCL-causing genes (CLN3, CLN6, MFSD8, PPT1, and TPP1). Review of clinical notes, retinal imaging, electroretinography (ERG), and molecular genetic testing. Two subjects underwent a cross-sectional examination comprising adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy (AOSLO) imaging of the retina and optoretinography (ORG). Clinical/demographic data, multimodal retinal imaging data, electrophysiology parameters, and molecular genetic testing. Our cohort included a diverse set of subjects with CLN3-juvenile NCL (n=3), TPP1-late infantile NCL (n=5), PPT1-late infantile or juvenile NCL (n=2), CLN6-infantile NCL (n=1), and CLN7/MFSD8-late infantile NCL (n=1). Five novel pathogenic or likely pathogenic variants were identified. Age at presentation ranged from 2 to 16 years old (mean 7.9 years). Subjects presented with varying phenotypes ranging from severe neurocognitive features (n=8, 67%), including seizures and developmental delays and regressions, to non-syndromic retinal dystrophies (n=2, 17%). Visual acuities at presentation ranged from light perception (LP) to 20/20. In those with recordable ERGs, the traces were electronegative and suggestive of early cone dysfunction. Fundus imaging and OCTs demonstrated outer retinal loss that varied with underlying genotype. High-resolution AO imaging and functional measures with ORG in 2 subjects with atypical TPP1-associated disease revealed significantly different phenotypes of cellular structure and function that could be followed longitudinally. Our cohort data demonstrates that the underlying genetic variants drive the phenotypic diversity in different forms of NCL. Genetic testing can provide molecular diagnosis and ensure appropriate disease management and support for children and their families. With intravitreal enzyme replacement therapy on the horizon as a potential treatment option for NCL-associated retinal degeneration, precise structural and functional measures will be required to more accurately monitor disease progression. We show that adaptive optics imaging and ORG can be used as highly sensitive methods to track early retinal changes which can be used to establish eligibility for future therapies and provide metrics for determining the efficacy of interventions on a cellular scale.