Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Gespeicherte Ionen in der Paulfalle: Voruntersuchungen zur Lebensdauermessung des metastabilen 6D-3/2-Zustands des 226 Ra +, Speichereigenschaften von 138 Ba + und 28 N 2 + bei Variation des Puffergasdrucks

Auf Paulfallen basierende Experimente spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Physik, z.B. der Atomphysik zum Test theoretischer Modelle und der Massenspektroskopie. Die vorliegende Arbeit widmet sich beiden Themengebieten und gliedert sich entsprechend in zwei Teilbereiche: 1) Erdalkali-Ionen sind aufgrund ihrer Energieniveaus optimale Kandidaten für Laserspektroskopie-Experimente mit Ionenfallen und bestens geeignet, um mittels der spektroskopischen Daten die theoretischen Modelle zu testen. Lediglich für Ra+ fehlen bislang als einzigem Erdalkali-Ion diese Daten wie z.B. die Lebensdauern der metastabilen Niveaus. Diese wären auch von Interesse für bereits geplante Radium-Experimente zur Paritätsverletzung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Aufbau eines Laser-Paulfallenexperiments zur Messung der Lebensdauer des 6D3/2 Zustands von 226Ra+ dokumentiert und es werden Testmessungen mit 138Ba+ vorgestellt. 2) Für die Verwendung der Paulfalle in der Massenspektroskopie und zur Analyse von Reaktionsprodukten ist die Kenntnis der Lage der im Speicherbereich auftretenden nichtlinearen Resonanzen wesentlich, ebenso wie deren Veränderung durch Dämpfung und Raumladung. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen der Speicherung großer puffergasgekühlter Ionenwolken an zwei unterschiedlichen Paulfallen-Experimenten vorgestellt. Am ersten wurden 138Ba+-Ionenwolken kontinuierlich durch Laserspektroskopie bzw. über einen elektronischen Nachweis beobachtet, während das zweite N2+-Molekülionen automatisiert destruktiv nachwies. Am N2+-Experiment wurden zwei hochaufgelöste Messungen des ersten Speicherbereichs durchgeführt, die erstmals eine direkte Überprüfung der theoretisch berechneten Verläufe der Resonanzen mit experimentellen Daten erlauben. Die Nachweiseichung ermöglichte dabei zum ersten Mal die Angabe absoluter Ionenzahlen. Im Gegensatz zu vergleichbaren früheren Messungen wurden hierbei die sich überlagernden Speicherbereiche von 4 simultan gespeicherten Ionensorten beobachtet und zur Analyse der Resonanzen herangezogen. Die nichtlinearen Resonanzen wurden untersucht bei Variation von Puffergasdruck und Ionenzahl, wobei kollektive Resonanzen ohne zusätzliche externe Anregung beobachtet wurden. Die gemessenen Raumladungsverschiebungen wurden mit theoretischen Modellen verglichen. Bei Variation des Puffergasdrucks wurde mit Bariumionen die räumliche Ausdehnung der Ionenwolke gemessen und mit Stickstoffionen die Verschiebung des Punktes optimaler Speicherung bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der zum Ioneneinfang optimale Puffergasdruck kleiner ist als der, bei dem die längsten Speicherdauern erzielt werden. Mit gespeicherten N2+-Ionen wurde die Position extern angeregter kollektiver und individueller Resonanzen im Frequenzspektrum bei Änderung der Parameter Ionenzahl, Puffergasdruck und Dauer der Anregung untersucht, ebenso wie die Resonanzform, die mit theoretischen Linienformen verglichen wurde. Bei Änderung der Fallenparameter wurden verstärkende Effekte zwischen nahen kollektiven Resonanzen festgestellt. Die Beobachtung, welche der im Frequenzspektrum vorher identifizierten Bewegungs-Resonanzen sich bei Variation der Fallenparameter a bzw. q überlagern, ermöglicht eine bislang nicht beschriebene einfache Methode der Bestimmung von nichtlinearen Resonanzen im Stabilitätsdiagramm.

Aggression and its function as a hub mediating host defense against the slavemaking ant Protomognathus americanus

In meiner Dissertation beschäftigte ich mich mit unterschiedlichen Verteidungsstrategien, derenrnEffektivität und Evolution, der Ameisenart Temnothorax longispinosus (“Sklaven”), gegenüberrneinem sozialen Parasiten - der nahverwandten, sklavenhaltenden Art Protomognathusrnamericanus (“Sklavenhalter”). Wir entdeckten eine neue Kategorie der Verteidigungsstrategie,rnwelche es dem Wirten ermöglicht, flexibel auf die nicht vorhersagbaren Angriffe des Parasitenrnzu reagieren. Darüber hinaus erforschten wir, wie die Wirte ihre kollektive Verteidigung an einernVielzahl unterschiedlicher Angreifer anpassen können. Wir konnten feststellen, dass Wirte in derrnLage sind ihre kollektive Verteidigung dem Grad der Bedrohung anzupassen. Dies weist daraufrnhin, dass Selektion die Verteidigung gegen unterschiedliche Typen von Angreifern voneinanderrnunabhängig beeinflussen könnte. In einer dritten Studie belegten wir experimentell, dass diernParasiten die Evolution der Kolonieaggressivität der Wirtsart direkt beeinflussen. Die letztenrnbeiden Publikationen beschäftigten sich mit Sklavenrebellion, einer rätselhaftenrnVerteidigungsstrategie, da noch unklar ist, wie eine Eigenschaft von nicht reproduzierendenrnIndividuen vererbt werden kann. In einer Metaanalyse konnten wir die weite Verbreitung undrnhohe Variabilität dieser Eigenschaft dokumentieren, und fanden Hinweise, dassrnVerwandtenselektion eine mögliche Erklärung für die Evolution dieses Merkmals darstellenrnkönnte.

Development of a system measuring adhesion forces in powder collectives

Fine powders commonly have poor flowability and dispersibility due to interparticle adhesion that leads to formation of agglomerates. Knowing about adhesion in particle collectives is indispensable to gain a deeper fundamental understanding of particle behavior in powders. Especially in pharmaceutical industry a control of adhesion forces in powders is mandatory to improve the performance of inhalation products. Typically the size of inhalable particles is in the range of 1 - 5 µm. In this thesis, a new method was developed to measure adhesion forces of particles as an alternative to the established colloidal probe and centrifuge technique, which are both experimentally demanding, time consuming and of limited practical applicability. The new method is based on detachment of individual particles from a surface due to their inertia. The required acceleration in the order of 500 000 g is provided by a Hopkinson bar shock excitation system and measured via laser vibrometry. Particle detachment events are detected on-line by optical video microscopy. Subsequent automated data evaluation allows obtaining a statistical distribution of particle adhesion forces. To validate the new method, adhesion forces for ensembles of single polystyrene and silica microspheres on a polystyrene coated steel surface were measured under ambient conditions. It was possible to investigate more than 150 individual particles in one experiment and obtain adhesion values of particles in a diameter range of 3 - 13 µm. This enables a statistical evaluation while measuring effort and time are considerably lower compared to the established techniques. Measured adhesion forces of smaller particles agreed well with values from colloidal probe measurements and theoretical predictions. However, for the larger particles a stronger increase of adhesion with diameter was observed. This discrepancy might be induced by surface roughness and heterogeneity that influence small and large particles differently. By measuring adhesion forces of corrugated dextran particles with sizes down to 2 µm it was demonstrated that the Hopkinson bar method can be used to characterize more complex sample systems as well. Thus, the new device will be applicable to study a broad variety of different particle-surface combinations on a routine basis, including strongly cohesive powders like pharmaceutical drugs for inhalation.

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.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

New enhancement strategies for plasmon-enhanced fluorescence biosensors

This thesis investigates metallic nanostructures exhibiting surface plasmon resonance for the amplification of fluorescence signal in sandwich immunoassays. In this approach, an analyte is captured by an antibody immobilized on a plasmonic structure and detected by a subsequently bound fluorophore labeled detection antibody. The highly confined field of surface plasmons originates from collective charge oscillations which are associated with high electromagnetic field enhancements at the metal surface and allow for greatly increased fluorescence signal from the attached fluorophores. This feature allows for improving the signal-to-noise ratio in fluorescence measurements and thus advancing the sensitivity of the sensor platform. In particular, the thesis presents two plasmonic nanostructures that amplify fluorescence signal in devices that rely on epifluorescence geometry, in which the fluorophore absorbs and emits light from the same direction perpendicular to the substrate surface.rnThe first is a crossed relief gold grating that supports propagating surface plasmon polaritons (SPPs) and second, gold nanoparticles embedded in refractive index symmetric environment exhibiting collective localized surface plasmons (cLSPs). Finite-difference time-domain simulations are performed in order to design structures for the optimum amplification of established Cy5 and Alexa Fluor 647 fluorophore labels with the absorption and emission wavelengths in the red region of spectrum. The design takes into account combined effect of surface plasmon-enhanced excitation rate, directional surface plasmon-driven emission and modified quantum yield for characteristic distances in immunoassays. Homebuilt optical instruments are developed for the experimental observation of the surface plasmon mode spectrum, measurements of the angular distribution of surface plasmon-coupled fluorescence light and a setup mimicking commercial fluorescence reading systems in epifluorescence geometry.rnCrossed relief grating structures are prepared by interference lithography and multiple copies are made by UV nanoimprint lithography. The fabricated crossed diffraction gratings were utilized for sandwich immunoassay-based detection of the clinically relevant inflammation marker interleukin 6 (IL-6). The enhancement factor of the crossed grating reached EF=100 when compared to a flat gold substrate. This result is comparable to the highest reported enhancements to date, for fluorophores with relatively high intrinsic quantum yield. The measured enhancement factor excellently agrees with the predictions of the simulations and the mechanisms of the enhancement are explained in detail. Main contributions were the high electric field intensity enhancement (30-fold increase) and the directional fluorescence emission at (4-fold increase) compared to a flat gold substrate.rnCollective localized surface plasmons (cLSPs) hold potential for even stronger fluorescence enhancement of EF=1000, due to higher electric field intensity confinement. cLSPs are established by diffractive coupling of the localized surface plasmon resonance (LSPR) of metallic nanoparticles and result in a narrow resonance. Due to the narrow resonance, it is hard to overlap the cLSPs mode with the absorption and emission bands of the used fluorophore, simultaneously. Therefore, a novel two resonance structure that supports SPP and cLSP modes was proposed. It consists of a 2D array of cylindrical gold nanoparticles above a low refractive index polymer and a silver film. A structure that supports the proposed SPP and cLSP modes was prepared by employing laser interference lithography and the measured mode spectrum was compared to simulation results.rn

Influence of micro-site conditions and environmental gradients on tree-ring based climate reconstructions

Tree-ring chronologies are a powerful natural archive to reconstruct summer temperature variations of the late Holocene with an annual resolution. To develop these long-term proxy records tree-ring series are commonly extended back in time by combining samples from living trees with relict dead material preserved onshore or in lakes. Former studies showed that low frequency variations in such reconstructions can be biased if the relict and recent material is from different origins. A detailed analysis of the influence of various ecological (micro-) habitats representing the recent part is required to estimate potential errors in temperature estimates. The application of collective detrending methods, that comprise absolute growth rates, can produce errors in climate reconstructions and results in an underestimation of past temperatures. The appearance of these kind of micro-site effects is a wide-spread phenomenon that takes place all over Fennoscandia. Future research in this key region for dendroclimatology should take this issue into account. Especially the higher climate response at the lakeshore site is interesting to achieve smaller uncertainties when a tree-ring series is transformed to temperature anomalies. For new composite chronologies the main aim should be to minimize potential biases and this includes also micro-site effects.