Preparation, structural characterization and catalytic properties of Co/CeO2 catalysts for the steam reforming of ethanol and hydrogen production

In this paper, Co/CeO2 catalysts, with different cobalt contents were prepared by the polymeric precursor method and were evaluated for the steam reforming of ethanol. The catalysts were characterized by N-2 physisorption (BET method), X-ray diffraction (XRD), UV-visible diffuse reflectance, temperature programmed reduction analysis (TPR) and field emission scanning electron microscopy (FEG-SEM). It was observed that the catalytic behavior could be influenced by the experimental conditions and the nature of the catalyst employed. Physical-chemical characterizations revealed that the cobalt content of the catalyst influences the metal-support interaction which results in distinct catalyst performances. The catalyst with the highest cobalt content showed the best performance among the catalysts tested, exhibiting complete ethanol conversion, hydrogen selectivity close to 66% and good stability at a reaction temperature of 600 degrees C. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

CuO-CeO2 catalysts synthesized in one-step: Characterization and PROX performance

PEM fuel cells seem to be the most affordable and commercially viable hydrogen-based cells, the biggest challenge being to obtain CO-free H-2 (<100 ppm) as the fuel. In this study, the use of CuO-CeO2 catalysts in preferential oxidation of CO to obtain CO-free H-2 (PROX reaction) was investigated. Ce1-xCuxO2 catalysts, with x (mol%) = 0, 0.01, 0.03, 0.05 and 0.10, were synthesized in one-step by the polymeric precursor method, to obtain a very fine dispersion and strong metal-support interaction, to favor active copper species and a preference for the PROX reaction. The results obtained from catalyzed reactions and characterization of the catalysts by XRD, Rietveld refinement, BET surface area, UV-Vis and TPR, suggest that this one-step synthesis method gives rise to catalysts with copper species selective for the PROX reaction, which reaches a maximum rate on Ce0.97Cu0.03O2 catalyst. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Strategies for detecting DNA hybridisation using surface plasmon fluorescence spectroscopy

Die Anregung und Emission von Fluorophoren nahe planaren Metalloberflächen und schiefen Gittern wurde mittels Oberflächenplasmonen Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) untersucht. Die Fluorophore konnten durch das evaneszente Plasmonenfeld angeregt und die einzelnen Abregungskanäle identifiziert werden.Die Sensorarchitektur für den Nachweis der Hybridisierung bestand aus auf einer Streptavidin-Matrix immobilisierten unmarkierten Sondensträngen. Cy5 markierte Zielsequenzen wurden aus der Lösung hybridisiert und die Adsorptionskinetiken konnten oberflächensensitiv detektiert werden.Ein neues Detektionsschema für unmarkierte Zielstränge wurde mittels fluoreszenzmarkirten Sondensträngen realisiert. Die Hybridisierung führte zu der Bildung von steifen helikalen Bereichen in der Probe und separierte den Farbstoff von der Metalloberfläche. Reduzierte Fluorezenzlöschung zeigte daher das Hybridisierungsereignis an.Die Verwendung eines potentiellen Förster-Paares zur Detektion von DNA Hybridisierung wurde untersucht. Donor und Akzeptor wurden an Ziel- und Sondenstrang immobilisiert und das Hybridisierungsereignis konnte anhand der Auslöschung der Donor-Fluorezenz nachgewiesen werden.Schließlich wurde der Einsatz von einzelstrangbindenden Proteinen (SSB) zur Steigerung der Sensitivität bezüglich Basenfehlpaarungen betrachtet. Verdrängungsreaktionen zwischen Proteinen und markierten Zielsträngen wurden anhand von SPS und Fluorezenzkinetiken studiert.

Surface layer formation in polymer melts and in solutions

In this work the surface layer formation in polymer melts and in polymer solutions have been investigated with the atomic force microscope (AFM). In polymer melts, the formation of an immobile surface layer results in a steric repulsion, which can be measured by the AFM. From former work it is know, that polydimethyl siloxane (PDMS) forms a stable surface layer for molecular weights above 12 kDa. In the present thesis, polyisoprene (PI) was investigated apart from PDMS, by a)measuring the steric surface interactions and b)measuring the surface slip in hydrodynamic experiments. If a polymer flows over a surface, the flow velocity at the surface is larger then zero. If case of a surface layer formation the flow plane changes to the top of the adsorbed layer and the surface slip is reduced to zero. By measuring the surface slip in hydrodynamic experiments, it is therefore possible to determine the presence of a stable surface layer. The results show no stable repulsion for PI and only a small decrease of the surface slip. This indicates that PI does not form a stable surface layer, but is only adsorbed weakly to the surface. Furthermore for 8 kDa PDMS the timescale of the formation of a surface layer was investigated by changing themaximal force the tip applied to the surface. With a repulsive force present, applying a higher force than 15 nN resulted in a destruction of the surface layer, indicated by attractive forces. Reducing the applied force below 15 nN then resulted in an increase of the repulsion to the former state during one minute, thus indicating that a surface layer can be formed within one minute even under the influence of continuous measurements. As a next step, mixtures of two PDMS homopolymers with different chain lengths have been investigated. The aim was to verify theoretical predictions that shorter chains should predominate at the surface due to their smaller loss in conformational entropy. The measurements where done in dependence of the volume fractions of short and long chain PMDS. The results confirmed the short chain dominance for all mixtures with less then 90 vol.% long chain PDMS. Surface layer formation in solution was investigated for superplasticizers which are industrially used as an additive to cement. They change the surface interaction between the cement grains from attractive to repulsive and the freshlymixed cement paste therefore becomes liquid. The aimin this part of the thesis was, to investigate cement particle interactions in a close to real environment. Therefore calcium silicate hydrate phases have been precipitated onto an AFM tip and onto a calcite crystal and the interaction between these surfaces have beenmeasured with and without addition of superplasticizers. The measurements confirmed the change from attraction to repulsion upon addition of superplasticizers. The repulsive steric interaction increased with the length of the sidechain of the superplasticizer, and the dependence of the range of the steric interactions on the sidechain length indicated that the sidechains are in a coiled conformation.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

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.

Selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural using monometallic and bimetallic supported nanoparticles

This work deals with the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) using metal supported catalysts. Catalysts were prepared from the immobilisation of preformed monometallic (Au, Pd) and bimetallic (AuCu, AuPd) nanoparticles on commercial oxides (TiO2, CeO2). Au-TiO2 catalyst was found to be very active for HMF oxidation; however, this system deactivated very fast. For this reason, we prepared bimetallic gold-copper nanoparticles and an increase in the catalytic activity was observed together with an increase in catalyst stability. In order to optimise the interaction of the metal active phase with the support, Au and AuCu nanoparticles were supported onto CeO2. Au-CeO2 catalyst was found to be more active than the bimetallic one, leading to the conclusion that in this case the most important feature is the interaction between gold and the support. Catalyst pre-treatments (calcination and washing) were carried out to maximise the contact between the metal and the oxide and an increase in the FDCA production could be observed. The presence of ceria defective sites was crucial for FDCA formation. Mesoporous cerium oxide was synthesised with the hard template method and was used as support for Au nanoparticles to promote the catalytic activity. In order to study the role of active phase in HMF oxidation, PdAu nanoparticles were supported onto TiO2. Au and Pd monometallic catalysts were very active in the formation of HMFCA (5-hydroxymethyl-2-furan carboxylic acid), but Pd was not able to convert it, leading to a low FDCA yield. The calcination of PdAu catalysts led to Pd segregation on the particles surface, which changed the reaction pathway and included an important contribution of the Cannizzaro reaction. PVP protected PdAu nanoparticles, synthesised with different morphologies (core-shell and alloyed structure), confirmed the presence of a different reaction mechanism when the metal surface composition changes.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Surface studies in ultra high vacuum

An ultra high vacuum system capable of attaining pressures of 10-12 mm Hg was used for thermal desorption experiments. The metal chosen for these experiments was tantalum because of its suitability for thermal desorption experiments and because relatively little work has been done using this metal. The gases investigated were carbon monoxide, hydrogen and ethylene. The kinetic and thermodynamic parameters relating to the desorption reaction were calculated and the values obtained related to the reaction on the surface. The thermal desorption reaction was not capable of supplying all the information necessary to form a complete picture of the desorption reaction. Further information was obtained by using a quadrupole mass spectrometer to analyse the desorbed species. The identification of the desorbed species combined with the value of the desorption parameters meant that possible adatom structures could be postulated. A combination of these two techniques proved to be a very powerful tool when investigating gas-metal surface reactions and gave realistic values for the measured parameters such as the surface coverage, order of reaction, the activation energy and pre-exponential function for desorption. Electron microscopy and X-ray diffraction were also used to investigate the effect of the gases on the metal surface.

Heat transfer from molten materials to liquids

An apparatus was designed and constructed which enabled material to be melted and heated to a maximum temperature of 1000C and then flooded with a pre-heated liquid. A series of experiments to investigate the thermal interaction between molten metals (aluminium, lead and tin) and sub-cooled water were conducted. The cooling rates of the molten materials under conditions of flooding were measured with a high speed-thermocouple and recorded with a transient recorder. A simplified model for calculating heat fluxes and metal surface temperatures was developed and used. Experimental results yielded boiling heat transfer in the transition film and stable film regions of the classic boiling curve. Maximum and minimum heat fluxes were observed at nucleate boiling crisis and the Leidenfrost point respectively. Results indicate that heat transfer from molten metals to sub-cooled water is a function of temperature and coolant depth and not a direct function of the physical properties of the metals. Heat transfer in the unstable transition film boiling region suggests that boiling dynamics in this region where a stationary molten metal is under pool boiling conditions at atmospheric pressure would not initiate a fuel-coolant interaction. Low heat fluxes around the Leidenfrost point would provide efficient fuel-coolant decoupling by a stable vapour blanket to enable coarse mixing of the fuel and coolant to occur without appreciable loss of thermal energy from the fuel. The research was conducted by Gareph Boxley and was submitted for the degree of PhD at the University of Aston in Birmingham in 1980.

The characterisation of clean metal surfaces

The most perfectly structured metal surface observed in practice is that of a field evaporated field-ion microscope specimen. This surface has been characterised by adopting various optical analogue techniques. Hence a relationship has been determined between the structure of a single plane on the surface of a field-ion emitter and the geometry of a binary zone plate. By relating the known focussing properties of such a zone plate to those obtained from the projected images of such planes in a field-ion micrograph, it is possible to extract new information regarding the local magnification of the image. Further to this, it has been shown that the entire system of planes comprising the field-ion imaging surface may be regarded as a moire pattern formed between over-lapping zone plates. The properties of such moire zone plates are first established in an analysis of the moire pattern formed between zone plates on a flat surface. When these ideas are applied to the field-ion image it becomes possible to deduce further information regarding the precise topography of the emitter. It has also become possible to simulate differently proJected field-ion images by overlapping suitably aberrated zone plates. Low-energy ion bombardment is an essential preliminary to much surface research as a means of producing chemically clean surfaces. Hence it is important to know the nature and distribution of the resultant lattice damage, and the extent to which it may be removed by annealing. The field-ion microscope has been used to investigate such damage because its characterisation lies on the atomic scale. The present study is concerned with the in situ sputtering of tungsten emitters using helium, neon, argon and xenon ions with energies in the range 100eV to 1keV, together with observations of the effect of annealing. The relevance of these results to surface cleaning schedules is discussed.

Swellable polymer films containing Au nanoparticles for point-of-care therapeutic drug monitoring using surface-enhanced Raman spectroscopy

Large (10 × 10 cm) sheets of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) active polymer have been prepared by stabilising metal nanoparticle aggregates within dry hydroxyethylcellulose (HEC) films. In these films the aggregates are protected by the polymer matrix during storage but in use they are released when aqueous analyte droplets cause the films to swell to their gel form. The fact that these "Poly-SERS" films can be prepared in bulk but then cut to size and stored in air before use means that they provide a cost effective and convenient method for routine SERS analysis. Here we have tested both Ag and Au Poly-SERS films for use in point-of-care monitoring of therapeutic drugs, using phenytoin as the test compound. Phenytoin in water could readily be detected using Ag Poly-SERS films but dissolving the compound in phosphate buffered saline (PBS) to mimic body fluid samples caused loss of the drug signal due to competition for metal surface sites from Cl^- ions in the buffer solution. However, with Au Poly-SERS films there was no detectable interference from Cl^- and these materials allowed phenytoin to be detected at 1.8 mg L^-1, even in PBS. The target range of detection of phenytoin in therapeutic drug monitoring is 10-20 mg L^-1. With the Au Poly-SERS films, the absolute signal generated by a given concentration of phenytoin was lower for the films than for the parent colloid but the SERS signals were still high enough to be used for therapeutic monitoring, so the cost in sensitivity for moving from simple aqueous colloids to films is not so large that it outweighs the advantages which the films bring for practical applications, in particular their ease of use and long shelf life.

Applications of functional nucleic acids in imaging, sensing and drug delivery and investigations of DNAzyme-metal interactions

Functional nucleic acids (FNA), including nucleic acids catalysts (ribozymes and DNAzymes) and ligands (aptamers), have been discovered in nature or isolated in a laboratory through a process called in vitro selection. They are nucleic acids with functions similar to protein enzymes or antibodies. They have been developed into sensors with high sensitivity and selectivity; it is realized by converting the reaction catalyzed by a DNAzyme/ribozyme or the binding event of an aptamer to a fluorescent, colorimetric or electrochemical signal. While a number of studies have been reported for in vitro sensing using DNAzymes or aptamers, there are few reports on in vivo sensing or imaging. MRI is a non-invasive imaging technique; smart MRI contrast agents were synthesized for molecular imaging purposes. However, their rational design remains a challenge due to the difficulty to predict molecular interactions. Chapter 2 focuses on rational design of smart T1-weighted MRI contrast agents with high specificity based on DNAzymes and aptamers. It was realized by changing the molecular weight of the gadolinium conjugated DNA strand with the analytes, which lead to analyte-specific water proton relaxation responses and contrast changes on an MRI image. The designs are general; the high selectivity of FNA was retained. Most FNA-based fluorescent sensors require covalent labeling of fluorophore/quencher to FNAs, which incurrs extra expenses and could interfere the function of FNAs. Chapter 3 describes a new sensor design avoiding the covalent labeling of fluorophore and quencher. The fluorescence of malachite green (MG) was regulated by the presence of adenosine. Conjugate of aptamers of MG and adenosine and a bridge strand were annealed in a solution containing MG. The MG aptamer did not bind MG because of its hybridization to the bridge strand, resulting in low fluorescence signal of MG. The hybridization was weakened in the presence of adenosine, leading to the binding of MG to its aptamer and a fluorescence increase. The sensor has comparable detection limit (20 micromolar) and specificity to its labeled derivatives. Enzymatic activity of most DNAzymes requires metal cations. The research on the metal-DNAzyme interaction is of interest and challenge to scientists because of the lack of structural information. Chapters 4 presents the research on the characterization of the interaction between a Cu2+-dependent DNAzyme and Cu2+. Electron paramagnetic resonance (EPR) and UV-Vis spectroscopy were used to probe the binding of Cu2+ to the DNAzyme; circular dichroism was used to probe the conformational change of the DNAzyme induced by Cu2+. It was proposed that the conformational change by the Cu2+ binding is important for the activity of the DNAzyme. Chapter 5 reports the dependence of the activity of 8-17 DNAzyme on the presence of both Pb2+ and other metal cations including Zn2+, Cd2+ and Mg2+. It was discovered that presence of those metal cations can be cooperative or inhibitive to 8-17 activity. It is hypothesized that the 8-17 DNAzyme had multiple binding sites for metal cations based on the results. Cisplatin is effective killing tumor cells, but with significant side effects, which can be minimized by its targeted delivery. Chapter 6 focuses on the effort to functionalize liposomes encapsulating cisplatin by an aptamer that selectively bind nucleolin, an overexpressed protein by breast cancer cells. The study proved the selective cytotoxicity to breast cancer cells of the aptamer-functionalized liposome.

Linear and nonlinear propagation of localised plasmon in metallic nanostructures

A major challenge in modern photonics and nano-optics is the diffraction limit of light which does not allow field localisation into regions with dimensions smaller than half the wavelength. Localisation of light into nanoscale regions (beyond its diffraction limit) has applications ranging from the design of optical sensors and measurement techniques with resolutions as high as a few nanometres, to the effective delivery of optical energy into targeted nanoscale regions such as quantum dots, nano-electronic and nano-optical devices. This field has become a major research direction over the last decade. The use of strongly localised surface plasmons in metallic nanostructures is one of the most promising approaches to overcome this problem. Therefore, the aim of this thesis is to investigate the linear and non-linear propagation of surface plasmons in metallic nanostructures. This thesis will focus on two main areas of plasmonic research –– plasmon nanofocusing and plasmon nanoguiding. Plasmon nanofocusing – The main aim of plasmon nanofocusing research is to focus plasmon energy into nanoscale regions using metallic nanostructures and at the same time achieve strong local field enhancement. Various structures for nanofocusing purposes have been proposed and analysed such as sharp metal wedges, tapered metal films on dielectric substrates, tapered metal rods, and dielectric V-grooves in metals. However, a number of important practical issues related to nanofocusing in these structures still remain unclear. Therefore, one of the main aims of this thesis is to address two of the most important of issues which are the coupling efficiency and heating effects of surface plasmons in metallic nanostructures. The method of analysis developed throughout this thesis is a general treatment that can be applied to a diversity of nanofocusing structures, with results shown here for the specific case of sharp metal wedges. Based on the geometrical optics approximation, it is demonstrated that the coupling efficiency from plasmons generated with a metal grating into the nanofocused symmetric or quasi-symmetric modes may vary between ~50% to ~100% depending on the structural parameters. Optimal conditions for nanofocusing with the view to minimise coupling and dissipative losses are also determined and discussed. It is shown that the temperature near the tip of a metal wedge heated by nanosecond plasmonic pulses can increase by several hundred degrees Celsius. This temperature increase is expected to lead to nonlinear effects, self-influence of the focused plasmon, and ultimately self-destruction of the metal tip. This thesis also investigates a different type of nanofocusing structure which consists of a tapered high-index dielectric layer resting on a metal surface. It is shown that the nanofocusing mechanism that occurs in this structure is somewhat different from other structures that have been considered thus far. For example, the surface plasmon experiences significant backreflection and mode transformation at a cut-off thickness. In addition, the reflected plasmon shows negative refraction properties that have not been observed in other nanofocusing structures considered to date. Plasmon nanoguiding – Guiding surface plasmons using metallic nanostructures is important for the development of highly integrated optical components and circuits which are expected to have a superior performance compared to their electronicbased counterparts. A number of different plasmonic waveguides have been considered over the last decade including the recently considered gap and trench plasmon waveguides. The gap and trench plasmon waveguides have proven to be difficult to fabricate. Therefore, this thesis will propose and analyse four different modified gap and trench plasmon waveguides that are expected to be easier to fabricate, and at the same time acquire improved propagation characteristics of the guided mode. In particular, it is demonstrated that the guided modes are significantly screened by the extended metal at the bottom of the structure. This is important for the design of highly integrated optics as it provides the opportunity to place two waveguides close together without significant cross-talk. This thesis also investigates the use of plasmonic nanowires to construct a Fabry-Pérot resonator/interferometer. It is shown that the resonance effect can be achieved with the appropriate resonator length and gap width. Typical quality factors of the Fabry- Pérot cavity are determined and explained in terms of radiative and dissipative losses. The possibility of using a nanowire resonator for the design of plasmonic filters with close to ~100% transmission is also demonstrated. It is expected that the results obtained in this thesis will play a vital role in the development of high resolution near field microscopy and spectroscopy, new measurement techniques and devices for single molecule detection, highly integrated optical devices, and nanobiotechnology devices for diagnostics of living cells.

Spectroscopic studies of the adsorption and reactions of chlorofluorocarbons (CFC-11 and CFC-12) and hydrochlorofluorocarbon (HCFC-22) on oxide surfaces

Raman and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy have been applied to a systematic investigation of the adsorption and decomposition of dichlorodifluoromethane (CCl2F2, CFC-12), fluorotrichloromethane (CCl3F, CFC-11), chlorodifluoromethane (CHClF2, HCFC-22) and molecular chlorine on oxide surfaces. Additionally, the effects of heating and ultraviolet photolysis of the CFC and HCFCs adsorbed on the oxide surfaces have been investigated. Spectral features for these species indicated a small wavenumber shift (1-6 cm-1) associated with the adsorbed phase. Some evidence, specifically the appearance of the Raman band at 507 cm-1, is presented to show that chlorine decomposition species are associated with these oxide surfaces. It was concluded that the new spectral feature (at ca. 507 cm-1) related with the decomposition of the CFC and HCFC molecules was an important indicator of the extent to which the reaction between the adsorbed CFC and HCFC and oxide surface has taken place. The extent of CFC-surface interaction has been quantified in terms of a maximum (Raman) frequency shift parameter (AM). Wavenumber shifts suggest both cation-adsorbate and non-specific adsorption interactions are occurring in the internal channels of the zeolites. Slow decomposition of the adsorbed CFCs under ultraviolet-visible photolysis (at ? > 300 nm) and/or thermal treatment was observed spectroscopically. Using FT-IR spectroscopy, the formation of gas-phase products (CO, CO2, HCl) both onyn photolysis and heating was evident. Results of these measurements are compared with the observed atmospheric reactivity of these compounds.