New sensing platforms based on nanoscopic devices for probing protein-membrane interactions

A novel nanosized and addressable sensing platform based on membrane coated plasmonic particles for detection of protein adsorption using dark field scattering spectroscopy of single particles has been established. To this end, a detailed analysis of the deposition of gold nanorods on differently functionalized substrates is performed in relation to various factors (such as the pH, ionic strength, concentration of colloidal suspension, incubation time) in order to find the optimal conditions for obtaining a homogenous distribution of particles at the desired surface number density. The possibility of successfully draping lipid bilayers over the gold particles immobilized on glass substrates depends on the careful adjustment of parameters such as membrane curvature and adhesion properties and is demonstrated with complementary techniques such as phase imaging AFM, fluorescence microscopy (including FRAP) and single particle spectroscopy. The functionality and sensitivity of the proposed sensing platform is unequivocally certified by the resonance shifts of the plasmonic particles that were individually interrogated with single particle spectroscopy upon the adsorption of streptavidin to biotinylated lipid membranes. This new detection approach that employs particles as nanoscopic reporters for biomolecular interactions insures a highly localized sensitivity that offers the possibility to screen lateral inhomogeneities of native membranes. As an alternative to the 2D array of gold nanorods, short range ordered arrays of nanoholes in optically transparent gold films or regular arrays of truncated tetrahedron shaped particles are built by means of colloidal nanolithography on transparent substrates. Technical issues mainly related to the optimization of the mask deposition conditions are successfully addressed such that extended areas of homogenously nanostructured gold surfaces are achieved. Adsorption of the proteins annexin A1 and prothrombin on multicomponent lipid membranes as well as the hydrolytic activity of the phospholipase PLA2 were investigated with classical techniques such as AFM, ellipsometry and fluorescence microscopy. At first, the issues of lateral phase separation in membranes of various lipid compositions and the dependency of the domains configuration (sizes and shapes) on the membrane content are addressed. It is shown that the tendency for phase segregation of gel and fluid phase lipid mixtures is accentuated in the presence of divalent calcium ions for membranes containing anionic lipids as compared to neutral bilayers. Annexin A1 adsorbs preferentially and irreversibly on preformed phosphatidylserine (PS) enriched lipid domains but, dependent on the PS content of the bilayer, the protein itself may induce clustering of the anionic lipids into areas with high binding affinity. Corroborated evidence from AFM and fluorescence experiments confirm the hypothesis of a specifically increased hydrolytic activity of PLA2 on the highly curved regions of membranes due to a facilitated access of lipase to the cleavage sites of the lipids. The influence of the nanoscale gold surface topography on the adhesion of lipid vesicles is unambiguously demonstrated and this reveals, at least in part, an answer for the controversial question existent in the literature about the behavior of lipid vesicles interacting with bare gold substrates. The possibility of formation monolayers of lipid vesicles on chemically untreated gold substrates decorated with gold nanorods opens new perspectives for biosensing applications that involve the radiative decay engineering of the plasmonic particles.

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.

Nahfeld-induzierte Elektronenemissions-Mikrospektroskopie an stark gekoppelten Plasmonen und metallischen Mikrostrukturen

Plasmonen stellen elektromagnetische Moden in metallischen Strukturen dar, in denen die quasifreien Elektronen im Metall kollektiv oszillieren. Während des letzten Jahrzehnts erfuhr das Gebiet der Plasmonik eine rasante Entwicklung, basierend auf zunehmenden Fortschritten der Nanostrukturierungsmethoden und spektroskopischen Untersuchungsmethoden, die zu der Möglichkeit von systematischen Einzelobjektuntersuchungen wohldefinierter Nanostrukturen führte. Die Anregung von Plasmonen resultiert neben einer radiativen Verstärkung der optischen Streuintensität im Fernfeld in einer nicht-radiativen Überhöhung der Feldstärke in unmittelbarer Umgebung der metallischen Struktur (Nahfeld), die durch die kohärente Ladungsansammlung an der metallischen Oberfläche hervorgerufen wird. Das optische Nahfeld stellt folglich eine bedeutende Größe für das fundamentale Verständnis der Wirkung und Wechselwirkung von Plasmonen sowie für die Optimierung plasmonbasierter Applikationen dar. Die große Herausforderung liegt in der Kompliziertheit des experimentellen Zugangs zum Nahfeld, der die Entwicklung eines grundlegenden Verständisses des Nahfeldes verhinderte.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) bzw. -mikrospektroskopie genutzt, um ortsaufgelöst die Eigenschaften nahfeld-induzierter Elektronenemission zu bestimmen. Die elektrodynamischen Eigenschaften der untersuchten Systeme wurden zudem mit numerischen, auf der Finiten Integrationsmethode basierenden Berechnungen bestimmt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.rnAg-Scheiben mit einem Durchmesser von 1µm und einer Höhe von 50nm wurden mit fs-Laserstrahlung der Wellenlänge 400nm unter verschiedenen Polarisationszuständen angeregt. Die laterale Verteilung der infolge eines 2PPE-Prozesses emittierten Elektronen wurde mit dem PEEM aufgenommen. Aus dem Vergleich mit den numerischen Berechnungen lässt sich folgern, dass sich das Nahfeld an unterschiedlichen Stellen der metallischen Struktur verschiedenartig ausbildet. Insbesondere wird am Rand der Scheibe bei s-polarisierter Anregung (verschwindende Vertikalkomponente des elektrischen Felds) ein Nahfeld mit endlicher z-Komponente induziert, während im Zentrum der Scheibe das Nahfeld stets proportional zum einfallenden elektrischen Feld ist.rnWeiterhin wurde erstmalig das Nahfeld optisch angeregter, stark gekoppelter Plasmonen spektral (750-850nm) untersucht und für identische Nanoobjekte mit den entsprechenden Fernfeldspektren verglichen. Dies erfolgte durch Messung der spektralen Streucharakteristik der Einzelobjekte mit einem Dunkelfeldkonfokalmikroskop. Als Modellsystem stark gekoppelter Plasmonen dienten Au Nanopartikel in sub-Nanometerabstand zu einem Au Film (nanoparticle on plane, NPOP). Mit Hilfe dieser Kombination aus komplementären Untersuchungsmethoden konnte erstmalig die spektrale Trennung von radiativen und nicht-radiativen Moden stark gekoppelter Plasmonen nachgewiesen werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen von großer Relevanz, da reine Nahfeldmoden durch den unterdrückten radiativen Zerfall eine große Lebensdauer besitzen, so dass deren Verstärkungswirkung besonders lange nutzbar ist. Ursachen für die Unterschiede im spektralen Verhalten von Fern- und Nahfeld konnten durch numerische Berechnungen identifiziert werden. Sie zeigten, dass das Nahfeld nicht-spärischer NPOPs durch die komplexe Oszillationsbewegung der Elektronen innerhalb des Spaltes zwischen Partikel und Film stark ortsabhängig ist. Zudem reagiert das Nahfeld stark gekoppelter Plasmonen deutlich empfindlicher auf strukturelle Störstellen des Resonators als die Fernfeld-Response. Ferner wurde der Elektronenemissionsmechanismus als optischer Feldemissionsprozess identifiziert. Um den Vorgang beschreiben zu können, wurde die Fowler-Nordheim Theorie der statischen Feldemission für den Fall harmonisch oszillierender Felder modifiziert.

Rod-shaped plasmonic sensors

Plasmonic nanoparticles exhibit strong light scattering efficiency due to the oscillations of their conductive electrons (plasmon), which are excited by light. For rod-shaped nanoparticles, the resonance position is highly tunable by the aspect ratio (length/width) and the sensitivity to changes in the refractive index in the local environment depends on their diameter, hence, their volume. Therefore, rod-shaped nanoparticles are highly suitable as plasmonic sensors.rnWithin this thesis, I study the formation of gold nanorods and nanorods from a gold-copper alloy using a combination of small-angle X-ray scattering and optical extinction spectroscopy. The latter represents one of the first metal alloy nanoparticle synthesis protocols for producing rod-shaped single crystalline gold-copper (AuxCu(1-x)) alloyed nanoparticles. I find that both length and width independently follow an exponential growth behavior with different time-constants, which intrinsically leads to a switch between positive and negative aspect ratio growth during the course of the synthesis. In a parameter study, I find linear relations for the rate constants as a function of [HAuCl4]/[CTAB] ratio and [HAuCl4]/[seed] ratio. Furthermore, I find a correlation of final aspect ratio and ratio of rate constants for length and width growth rate for different [AgNO3]/[HAuCl4] ratios. I identify ascorbic acid as the yield limiting species in the reaction by the use of spectroscopic monitoring and TEM. Finally, I present the use of plasmonic nanorods that absorb light at 1064nm as contrast agents for photoacoustic imaging (BMBF project Polysound). rnIn the physics part, I present my automated dark-field microscope that is capable of collecting spectra in the range of 450nm to 1750 nm. I show the characteristics of that setup for the spectra acquisition in the UV-VIS range and how I use this information to simulate measurements. I show the major noise sources of the measurements and ways to reduce the noise and how the combination of setup charactersitics and simulations of sensitivity and sensing volume can be used to select appropriate gold rods for single unlabeled protein detection. Using my setup, I show how to estimate the size of gold nano-rods directly from the plasmon linewidth measured from optical single particle spectra. Then, I use this information to reduce the distribution (between particles) of the measured plasmonic sensitivity S by 30% by correcting for the systematic error introduced from the variation in particle size. I investigate the single particle scattering of bowtie structures — structures consisting of two (mostly) equilateral triangles pointing one tip at each other. I simulate the spectra of the structures considering the oblique illumination angle in my setup, which leads to additional plasmon modes in the spectra. The simulations agree well with the measurements form a qualitative point of view.rn

Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.

Multifunctional polyether architectures : versatile materials for surface attachment and functionalization

Chapter 1 of this thesis comprises a review of polyether polyamines, i.e., combinations of polyether scaffolds with polymers bearing multiple amino moieties. Focus is laid on controlled or living polymerization methods. Furthermore, fields in which the combination of cationic, complexing, and pH-sensitive properties of the polyamines and biocompatibility and water-solubility of polyethers promise enormous potential are presented. Applications include stimuli-responsive polymers with a lower critical solution temperature (LCST) and/or the ability to gel, preparation of shell cross-linked (SCL) micelles, gene transfection, and surface functionalization.rnIn Chapter 2, multiaminofunctional polyethers relying on the class of glycidyl amine comonomers for anionic ring-opening polymerization (AROP) are presented. In Chapter 2.1, N,N-diethyl glycidyl amine (DEGA) is introduced for copolymerization with ethylene oxide (EO). Copolymer microstructure is assessed using online 1H NMR kinetics, 13C NMR triad sequence analysis, and differential scanning calorimetry (DSC). The concurrent copolymerization of EO and DEGA is found to result in macromolecules with a gradient structure. The LCSTs of the resulting copolymers can be tailored by adjusting DEGA fraction or pH value of the environment. Quaternization of the amino moieties by methylation results in polyelectrolytes. Block copolymers are used for PEGylated gold nanoparticle formation. Chapter 2.2 deals with a glycidyl amine monomer with a removable protecting group at the amino moiety, for liberation of primary amines at the polyether backbone, which is N,N-diallyl glycidyl amine (DAGA). Its allyl groups are able to withstand the harsh basic conditions of AROP, but can be cleaved homogeneously after polymerization. Gradient as well as block copolymers poly(ethylene glycol)-PDAGA (PEG-PDAGA) are obtained. They are analyzed regarding their microstructure, LCST behavior, and cleavage of the protecting groups. rnChapter 3 describes applications of multi(amino)functional polyethers for functionalization of inorganic surfaces. In Chapter 3.1, they are combined with an acetal-protected catechol initiator, leading to well-defined PEG and heteromultifunctional PEG analogues. After deprotection, multifunctional PEG ligands capable of attaching to a variety of metal oxide surfaces are obtained. In a cooperative project with the Department of Inorganic and Analytical Chemistry, JGU Mainz, their potential is demonstrated on MnO nanoparticles, which are promising candidates as T1 contrast agents in magnetic resonance imaging. The MnO nanoparticles are solubilized in aqueous solution upon ligand exchange. In Chapter 3.2, a concept for passivation and functionalization of glass surfaces towards gold nanorods is developed. Quaternized mPEG-b-PqDEGA diblock copolymers are attached to negatively charged glass surfaces via the cationic PqDEGA blocks. The PEG blocks are able to suppress gold nanorod adsorption on the glass in the flow cell, analyzed by dark field microscopy.rnChapter 4 highlights a straightforward approach to poly(ethylene glycol) macrocycles. Starting from commercially available bishydroxy-PEG, cyclic polymers are available by perallylation and ring-closing metathesis in presence of Grubbs’ catalyst. Purification of cyclic PEG is carried out using α-cyclodextrin. This cyclic sugar derivative forms inclusion complexes with remaining unreacted linear PEG in aqueous solution. Simple filtration leads to pure macrocycles, as evidenced by SEC and MALDI-ToF mass spectrometry. Cyclic polymers from biocompatible precursors are interesting materials regarding their increased blood circulation time compared to their linear counterparts.rnIn the Appendix, A.1, a study of the temperature-dependent water-solubility of polyether copolymers is presented. Macroscopic cloud points, determined by turbidimetry, are compared with microscopic aggregation phenomena, monitored by continuous wave electron paramagnetic resonance (CW EPR) spectroscopy in presence of the amphiphilic spin probe and model drug (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). These thermoresponsive polymers are promising candidates for molecular transport applications. The same techniques are applied in Chapter A.2 to explore the pH-dependence of the cloud points of PEG-PDEGA copolymers in further detail. It is shown that the introduction of amino moieties at the PEG backbone allows for precise manipulation of complex phase transition modes. In Chapter A.3, multi-hydroxyfunctional polysilanes are presented. They are obtained via copolymerization of the acetal-protected dichloro(isopropylidene glyceryl propyl ether)methylsilane monomer. The hydroxyl groups are liberated through acidic work-up, yielding versatile access to new multifunctional polysilanes.

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.