Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

Fluorescence enhancement and energy transfer in apertureless scanning near-field optical microscopy

We investigate the mechanisms for fluorescence enhancement and energy transfer near a gold tip in apertureless scanning near-field optical microscopy. Using a simple quasi-static model, we show that the observed enhancement of fluorescence results from competition between enhancement and quenching, and is dependent on a range of experimental parameters. We find good qualitative agreement with the results of measurements of the effect of both sharp and blunt tips on quantum dot fluorescence, and provide a demonstration of tip-enhanced fluorescence imaging with 60 nm resolution.

Multiple excitation nano-spot generation and confocal detection for far-field microscopy

An imaging technique is developed for the controlled generation of multiple excitation nano-spots for far-field microscopy. The system point spread function (PSF) is obtained by interfering two counter-propagating extended depth-of-focus PSF (DoF-PSF), resulting in highly localized multiple excitation spots along the optical axis. The technique permits (1) simultaneous excitation of multiple planes in the specimen; (2) control of the number of spots by confocal detection; and (3) overcoming the point-by-point based excitation. Fluorescence detection from the excitation spots can be efficiently achieved by Z-scanning the detector/pinhole assembly. The technique complements most of the bioimaging techniques and may find potential application in high resolution fluorescence microscopy and nanoscale imaging.

Growth of Nanometric Gold Particles in Solution Phase

The time evolution of colloidal gold particles in the nanometric regime has been investigated by employing electron microscopy and electronic absorption spectroscopy. The particle size distributions are essentially Gaussian and show the same time dependence for both the mean and the standard deviation, enabling us to obtain a time-independent universal curve for the particle size. Temperature dependent studies show the growth to be an activated process with a barrier of about 18 kJ mol(-1). We present a phenomenological equation for the evolution of particle size and suggest that the growth process is stochastic.

Fluorescence Enhancement Using Silver Nanotriangle Arrays

We describe the fabrication of silver nanotriangle array using angle resolved nanosphere lithography and utilizing the same for enhancing fluorescence. The well established nanosphere lithography is modified by changing the angle of deposition between the nanosphere mask and the beam of silver being deposited resulting in nanotriangles of varying surface area and density. The 470 nm plasmon resonance wavelength of the substrate was determined using minimum reflectivity method which closely matches with excitation wavelength of the fluorophore. Ten times enhancement in fluorescence emission intensity is obtained from fluorescein isothiocyanate coated on top of silver nanotriangle array separated by a spacer layer of poly vinyl alcohol as compared to glass. The enhanced fluorescence emission is attributed to the increase in local field enhancement.

One-pot, high-yield synthesis of size-controlled gold particles with narrow size distribution

Here, we first report a facile one-step one-phase synthetic route to achieve size-controlled gold micro/nanoparticles with narrow size distribution by using o-diaminobenzene as a reducing agent in the presence of poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) via a simple wet-chemical approach. All experimental data including that from scanning-electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction techniques indicates that the gold micro/nanoparticles with a narrow size distribution were produced in high yield (similar to 100%).

Design and fabrication of nano-sinusoid LSPR devices

Applications of LSPR nano-particles in various areas of solar cells, LSPR biosensors, and SERS biosensors, based on interaction of light with noble metal nano-particles is increasing. Therefore, design and nano-fabrication of the LSPR devices is a key step in developing such applications. Design of nano-structures with desirable spectral properties using numerical techniques such as finite difference time domain (FDTD) is the first step in this work. A new structure called nano-sinusoid, satisfying the some desirable LSPR characteristics, is designed and simulated using the FDTD method. In the next stage, analytical method of electro static eigen mode method is used to validate the simulation results. The, nano-fabrications method of electron beam lithography (EBL) is implemented to fabricate the proposed profile with high precision. Finally, atomic force microscopy (AFM) is used to investigate the shape of the fabricated nano-particles, and the dark field microscopy is employed to demonstrate the particular spectral characteristics of the proposed nano-sinusoids.

Towards a precise test for malaria diagnosis in the Brazilian Amazon: comparison among field microscopy, a rapid diagnostic test, nested PCR, and a computational expert system based on artificial neural networks

Abstract Background Accurate malaria diagnosis is mandatory for the treatment and management of severe cases. Moreover, individuals with asymptomatic malaria are not usually screened by health care facilities, which further complicates disease control efforts. The present study compared the performances of a malaria rapid diagnosis test (RDT), the thick blood smear method and nested PCR for the diagnosis of symptomatic malaria in the Brazilian Amazon. In addition, an innovative computational approach was tested for the diagnosis of asymptomatic malaria. Methods The study was divided in two parts. For the first part, passive case detection was performed in 311 individuals with malaria-related symptoms from a recently urbanized community in the Brazilian Amazon. A cross-sectional investigation compared the diagnostic performance of the RDT Optimal-IT, nested PCR and light microscopy. The second part of the study involved active case detection of asymptomatic malaria in 380 individuals from riverine communities in Rondônia, Brazil. The performances of microscopy, nested PCR and an expert computational system based on artificial neural networks (MalDANN) using epidemiological data were compared. Results Nested PCR was shown to be the gold standard for diagnosis of both symptomatic and asymptomatic malaria because it detected the major number of cases and presented the maximum specificity. Surprisingly, the RDT was superior to microscopy in the diagnosis of cases with low parasitaemia. Nevertheless, RDT could not discriminate the Plasmodium species in 12 cases of mixed infections (Plasmodium vivax + Plasmodium falciparum). Moreover, the microscopy presented low performance in the detection of asymptomatic cases (61.25% of correct diagnoses). The MalDANN system using epidemiological data was worse that the light microscopy (56% of correct diagnoses). However, when information regarding plasma levels of interleukin-10 and interferon-gamma were inputted, the MalDANN performance sensibly increased (80% correct diagnoses). Conclusions An RDT for malaria diagnosis may find a promising use in the Brazilian Amazon integrating a rational diagnostic approach. Despite the low performance of the MalDANN test using solely epidemiological data, an approach based on neural networks may be feasible in cases where simpler methods for discriminating individuals below and above threshold cytokine levels are available.

Biological applications of plasmonic metal nanoparticles

Plasmons in metal nanoparticles respond to changes in their local environment by a spectral shift in resonance. Here, the potential of plasmonic metal nanoparticles for label-free detection and observation of biological systems is presented. Comparing the material silver and gold concerning plasmonic sensitivity, silver nanoparticles exhibit a higher sensitivity but their chemical instability under light exposure limits general usage. A new approach combining results from optical dark-field microscopy and transmission electron microscopy allows localization and quantification of gold nanoparticles internalized into living cells. Nanorods exposing a negatively charged biocompatible polymer seem to be promising candidates to sense membrane fluctuations of adherent cells. Many small nanoparticles being specific sensing elements can build up a sensor for parallel analyte detection without need of labeling, which is easy to fabricate, re-usable, and has sensitivity down to nanomolar concentrations. Besides analyte detection, binding kinetics of various partner proteins interacting with one protein of interest are accessible in parallel. Gold nanoparticles are able to sense local oscillations in the surface density of proteins on a lipid bilayer, which could not be resolved so far. Studies on the fluorescently labeled system and the unlabeled system identify an influence of the label on the kinetics.

Mechanism on Effect of Surface Plasmons Coupling with InGaN/GaN Quantum Wells: Enhancement and Suppression of Photoluminescence Intensity

The photoluminescence (PL) intensity enhancement and suppression mechanism on surface plasmons (SPs) coupling with InGaN/GaN quantum wells (QWs) have been systematically studied. The SP-QW coupling behaviors in the areas of GaN cap layer coated with silver thin film were compared at different temperatures and excitation powers. It is found that the internal quantum efficiency (IQE) of the light emitting diodes (LEDs) varies with temperature and excitation power, which in turn results in anomalous emission enhancement and suppression tendency related to SP-QW coupling. The observation is explained by the balance between the extraction efficiency of SPs and the IQE of LEDs

Study on photochemical fluorescence enhancement of terbium-fleroxacin complex

The sensitized fluorescence intensity of terbium ion can be notably enhanced when the Tb3+-fleroxacin complex is exposed to 365 nm light. By the measurements of fluorescence spectra, phosphorescence spectra, fluorescence quantum yield and fluorescence lifetime of the system, it is proved that irradiation makes the complex undergo a photochemical reaction and produces a new terbium complex which is more favorable to intramolecular energy transfer. The mechanism of the photochemical fluorescence enhancement was discussed.