The Surface Plasmon Resonance of Supported Noble Metal Nanoparticles: Characterization, Laser Tailoring, and SERS Application

This work deals with the optical properties of supported noble metal nanoparticles, which are dominated by the so-called Mie resonance and are strongly dependent on the particles’ morphology. For this reason, characterization and control of the dimension of these systems are desired in order to optimize their applications. Gold and silver nanoparticles have been produced on dielectric supports like quartz glass, sapphire and rutile, by the technique of vapor deposition under ultra-high vacuum conditions. During the preparation, coalescence is observed as an important mechanism of cluster growth. The particles have been studied in situ by optical transmission spectroscopy and ex situ by atomic force microscopy. It is shown that the morphology of the aggregates can be regarded as oblate spheroids. A theoretical treatment of their optical properties, based on the quasistatic approximation, and its combination with results obtained by atomic force microscopy give a detailed characterization of the nanoparticles. This method has been compared with transmission electron microscopy and the results are in excellent agreement. Tailoring of the clusters’ dimensions by irradiation with nanosecond-pulsed laser light has been investigated. Selected particles are heated within the ensemble by excitation of the Mie resonance under irradiation with a tunable laser source. Laser-induced coalescence prevents strongly tailoring of the particle size. Nevertheless, control of the particle shape is possible. Laser-tailored ensembles have been tested as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leading to an improvement of the results. Moreover, they constitute reproducible, robust and tunable SERS-substrates with a high potential for specific applications, in the present case focused on environmental protection. Thereby, these SERS-substrates are ideally suited for routine measurements.

Photoschaltbare Azobenzol-modifizierte selbstorganisierte Monoschichten auf Gold(111)-Oberflächen

Für die Entwicklung photoschaltbarer selbstorganisierter Monoschichten (SAMs) auf Gold(111)-Oberflächen wurden neue Azobenzol-terminierte Asparagussäure - und Liponsäurederivate synthetisiert. Um den Einfluss lateraler Wasserstoffbrückenbindungen auf Qualität und Orientierungsordnung der Schichten zu untersuchen, wurden Monolagen, die durch amid- und esterverknüpfte Verbindungen gebildet wurden, miteinander verglichen. Die Filmbildung aus der Lösung wurde in situ durch optische Frequenzverdopplung (SHG) untersucht und die Photoreaktivität mittels Kontaktwinkelmessungen, Oberflächen-Plasmonenresonanz (SPR) und Ellipsometrie verfolgt. SAMs auf Gold wurden außerdem mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Reflexions-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Infrarot-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (IRRAS) charakterisiert, um die Filmqualität, die Bindung ans Substrat und Orientierungsordnung im Film zu ermitteln. Da die Chemisorption auf polykristallinem Gold formal der Koordinationschemie von 1,2-Dithiolan-Derivaten gegenüber nullwertigen Edelmetall-Zentralatomen entspricht, wurden etliche Pt-Komplexe durch oxidative Addition an [Pt(PPh3)4] dargestellt. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Asparagussäure wurde die Kristallstruktur von [pipH]2[WS4] und der neuen Verbindungen [pipH]3[WS4](HS) und [pipH]4[WS4][WOS3] (pip = Piperidin) bestimmt. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Piperidinium-Kationen und den Thiowolframat-Anionen spielen eine dominante strukturelle Rolle.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Metallische Nanopartikel auf Quarz

This work presents the developement of an chemically stable and easy to produce in situ sensor for fast and reliable detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in low nanomolar concentrations. Metallic nanoparticles on dielectric substrates werde used for the rst time with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) in combination with shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS). The preparation of the metallic nanoparticle ensembles with Volmer-Webergrowth is described first. The nanoparticles are characterized with both, optical spectroscopy and atomic force microscopy. The morphological properties of the nanoparticle ensembles are de ned by the mean axial ratio (a/b) and the mean equivalent radius (R Äq), respectively. The prepared and characterized nanoparticles were then used for intensive Raman spectroscopy measurements. Two sophisticated diode laser systems were used in cooperation with the TU Berlin, to carry out these experiments. The first step was to establish the ideal combination of excitation wavelength of the diode laser and the maximum of the surface plasmon resonance of the nanoparticle ensembles. From these results it was deduced, that for an optimum Raman signal the plasmon resonance maximum of the nanoparticle ensemble has to be red-shifted a few nanometeres in respect to the excitation wavelength. Different PAHs werde detected in concentrations of only 2 and 0.5 nmol/, respectively. Furthermore, the obtained results show an excellent reproducability. In addition the time dependence of the Raman signal intensity was investigated. The results of these measurements show, that only 2 minutes after placing the substrates in the molecular solution, a detectable Raman signal was generated. The maximum Raman signal, i.e. the time in which the molecular adsorption process is finished, was determined to about 10 minutes. In summary it was shown, that the used metallic nanoparticle ensembles are highly usable as substrates for SERS in combination with SERDS to detect PAHs in low nanomolar concentrations.

Adsorption kinetic investigations of phthalocyanine derivatives self assembled monolayers (SAMs) on gold: Temperature influence on the SAM formation process and quality

The ordered nano-structured surfaces, like self-assembled monolayers (SAMs) are of a great scientific interest, due to the low cost, simplicity, and versatility of this method. SAMs found numerous of applications in molecular electronics, biochemistry and optical devices. Phthalocyanine (Pc) complexes are of particular interest for the SAM preparation. These molecules exhibit fascinating physical properties and are chemically and thermally stable. Moreover their complex structure is advantageous for the fabrication of switchable surfaces. In this work the adsorption process of Pcs derivatives, namely, subphthalocyanines (SubPcB) and terbium (2TbPc) sandwich complexes on gold has been investigated. The influence of the molecular concentration, chain length of peripheral groups, and temperature on the film formation process has been examined using a number of techniques. The SAMs formation process has been followed in situ and in real time by means of second harmonic generation (SHG) and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. To investigate the quality of the SAMs prepared at different temperatures atomic force microscopy (AFM) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)measurements were performed. Valuable information about SubPcB and 2TbPc adsorbtion process has been obtained in the frame of this work. The kinetic data, obtained with SHG and SPR, shows the best conformance with the first order Langmuir kinetic model. Comparing SHG and SPR results, it has been found, that the film formation occurs faster than the formation of chemical bonds. Such, the maximum amount of molecules on the surface is reached after 6 min for SubPcB and 30 min for 2TbPc. However, at this time the amount of formed chemicals bonds is only 10% and 40% for SubPcB and 2TbPc, respectively. The most intriguing result, among others, was obtained at T = 2 °C, where the formation of the less dense SAMs have been detected with SHG.However, analyzing XPS and AFM data, it has been revealed, that there is the same amount of molecules on the surface at both temperature T = 2 °C, and T = 21 °C, but the amount of formed chemicals bond is different. At T = 2 °C molecules form aggregates, therefore many of available anchor groups stay unattached.

Molekulare Mechanismen der cAMP-vermittelten Signaltransduktion

Zusammenfassung - Der sekundäre Botenstoff zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) reguliert viele fundamentale zelluläre Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung, Energiemetabolismus und Genexpression. In eukaryotischen Zellen vermittelt die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) die meisten biologischen Funktionen von cAMP. Die PKA besteht aus jeweils zwei regulatorischen (R) und katalytischen (C) Untereinheiten, die zusammen einen inaktiven Holoenzymkomplex bilden, der durch cAMP aktiviert wird. In dieser Arbeit wurde die Bindung von cAMP und cAMP-Analoga an die R Untereinheit der PKA unter funktionellen und mechanistischen Aspekten untersucht. Eine neue, auf Fluoreszenzpolarisation basierende Methode wurde entwickelt, um die Affinität von cAMP-Analoga in einem homogenen Ansatz schnell, reproduzierbar und nicht radioaktiv zu quantifizieren. Zur detaillierten Untersuchung des Bindungsmechanismus von cAMP und cAMP Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden thermodynamische Studien im direkten Vergleich mittels isothermaler Titrationskalorimetrie und kinetischen Analysen (Oberflächenplasmonresonanz, SPR) durchgeführt, wodurch thermodynamische Signaturen für das Bindungsverhalten der Nukleotide an die R Untereinheit der PKA erhalten werden konnten. Durch Interaktionsstudien an mutagenisierten R Untereinheiten wurde der intramolekulare Aktivierungsmechanismus der PKA in Bezug auf cAMP-Bindung, Holoenzymkomplex-Formierung und -Aktivierung untersucht. Die dabei erhaltenen Ergebnisse wurden mit zwei Modellen der cAMP-induzierten Konformationsänderung verglichen, und ein Aktivierungsmechanismus postuliert, der auf konservierten hydrophoben Aminosäuren basiert. Für in vivo Untersuchungen wurden zusammen mit Kooperationspartnern membranpermeable, fluoreszierende cAMP Analoga entwickelt, die Einblicke in die Dynamik der cAMP-Verteilung in Zellen erlauben. Neu entwickelte, Festphasen gebundene cAMP-Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden in einem (sub)proteomischen Ansatz dazu genutzt, natürliche Komplexe der R Untereinheit und des PKA-Holoenzyms aus Zelllysaten zu isolieren und zu identifizieren. Diese Untersuchungen fließen letztlich in einem systembiologischen Ansatz zusammen, der neue Einblicke in die vielschichtigen cAMP gesteuerten Netzwerke und Regulationsprozesse erlaubt.

Optical Antennas for Biosensing Applications

The aim of the thesis is to theoretically investigate optical/plasmonic antennas for biosensing applications. The full 3-D numerical electromagnetic simulations have been performed by using finite integration technique (FIT). The electromagnetic properties of surface plasmon polaritons (SPPs) and the localized surface plasmons (LSPs) based devices are studied for sensing purpose. The surface plasmon resonance (SPR) biosensors offer high refractive index sensitivity at a fixed wavelength but are not enough for the detection of low concentrations of molecules. It has been demonstrated that the sensitivity of SPR sensors can be increased by employing the transverse magneto-optic Kerr effect (TMOKE) in combination with SPPs. The sensor based on the phenomena of TMOKE and SPPs are known as magneto-optic SPR (MOSPR) sensors. The optimized MOSPR sensor is analyzed which provides 8 times higher sensitivity than the SPR sensor, which will be able to detect lower concentration of molecules. But, the range of the refractive index detection is limited, due to the rapid decay of the amplitude of the MOSPR-signal with the increase of the refractive indices. Whereas, LSPs based sensors can detect lower concentrations of molecules, but their sensitivity is small at a fixed wavelength. Therefore, another device configuration known as perfect plasmonic absorber (PPA) is investigated which is based on the phenomena of metal-insulator-metal (MIM) waveguide. The PPA consists of a periodic array of gold nanoparticles and a thick gold film separated by a dielectric spacer. The electromagnetic modes of the PPA system are analyzed for sensing purpose. The second order mode of the PPA at a fixed wavelength has been proposed for the first time for biosensing applications. The PPA based sensor combines the properties of the LSPR sensor and the SPR sensor, for example, it illustrates increment in sensitivity of the LSPR sensor comparable to the SPR and can detect lower concentration of molecules due to the presence of nanoparticles.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.