Wechselwirkungen von Edelmetallnanopartikeln mit ihrer Umgebung

Reismann, Maximilian; von Plessen, Gero

doi:999910018989

Wechselwirkungen von Edelmetallnanopartikeln mit ihrer Umgebung = Interactions of noble metal nanoparticles with their environment

Reismann, Maximilian (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Reismann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangVIII, 161 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30960
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63594/files/Reismann_Maximilian.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Oberflächenplasmonresonanz (Genormte SW) ; Plasmon (Genormte SW) ; Nanopartikel (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Photothermie (frei) ; surface plasmon resonance (frei) ; nanoparticle (frei) ; noble-metal nanoparticle (frei) ; phothothermal effect (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Bei der Bestrahlung von Edelmetallnanopartikeln mit Licht treten einzigartige optische Phänomene, wie resonant überhöhte Lichtabsorption und -streuung und eine enorme Verstärkung des optischen Feldes in der Umgebung der Nanopartikel, auf. Diese Phänomene beruhen auf der Anregung kollektiver Oszillationen der Leitungsbandelektronen im metallischen Nanopartikel. Die optischen Eigenschaften der Nanopartikel werden hierbei in wesentlichem Maße von der Resonanzfrequenz dieser, Plasmonen genannten, Oszillationen bestimmt. Diese optischen Eigenschaften von Edelmetallnanopartikeln könnten zur Detektion oder zur gezielten Anregung von Wechselwirkungen zwischen Edelmetallnanopartikeln und ihrer Umgebung eingesetzt werden. Die Untersuchung derartiger Wechselwirkungen stellt das zentrale Thema dieser Dissertation dar. Ein Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Untersuchung der sog. photothermischen Wechselwirkungen. Hierbei wird die hohe Lichtabsorption der Edelmetallnanopartikel genutzt, um mittels Laserbestrahlung eine lokale Temperatursteigerung in den Nanopartikeln und ihren unmittelbaren Umgebungen herbeizuführen. Es wird der Frage nachgegangen, inwiefern sich eine photothermisch herbeigeführte Temperaturerhöhung dazu einsetzen lässt, biomolekulare Reaktionen in einem lokal begrenzten Volumen zu steuern. Die photothermische Beeinflussung soll hierbei so präzise eingestellt werden, dass die beteiligten Moleküle nicht in ihrer chemischen Funktionalität beschädigt werden. Zu dieser Thematik werden zwei Forschungsprojekte vorgestellt: In einem ersten Projekt werden Netzwerke aus Goldnanopartikeln als Probensysteme verwendet, bei denen doppelsträngige DNA-Moleküle zur Verbrückung einzelner Nanopartikel dienen. Durch einen photothermisch hervorgerufenen Temperaturhub können die DNA-Brücken kollektiv aufgebrochen und eine Dissoziation der Netzwerke herbeigeführt werden. Die Netzwerkdissoziationsvorgänge gehen mit einen Farbwechsel der Nanopartikelsysteme einher, der sich durch einen Wegfall plasmonischer Kopplungseffekte ergibt. Dieser Farbwechsel wird dazu genutzt, die Netzwerkdissoziationsvorgänge spektroskopisch zu detektieren. Im zweiten Projekt wird eine nanopartikelbasierte photothermische Steuerung einer enzymatischen Reaktion demonstriert. Zu diesem Zweck werden Goldnanokugeln mit Enzymen funktionalisiert und photothermisch angeregt. Die Temperaturabhängigkeit der katalytischen Aktivität dieser Enzyme ermöglicht es, die Reaktionskinetik einer in der Nanopartikelumgebung ablaufenden Reaktion photothermisch zu steuern. In einem weiteren Teil dieser Dissertation werden Wechselwirkungen einzelner Goldnanokugeln mit dem zur Deposition der Kugeln verwendeten Probensubstrat untersucht. Hierbei werden einzelne Goldnanopartikel mit einer optischen Pinzette in einer wässrigen Suspension fixiert und nachfolgend gezielt auf einem Probensubstrat abgelagert. Die Änderungen des Streulichtspektrums der Nanopartikel, die bei diesen Ablagerungsvorgängen auftreten, werden hierbei an einzelnen Nanopartikeln vermessen. Die beobachteten spektralen Änderungen sind bei diesem Vorgehen nicht durch inhomogene Beiträge infolge der unterschiedlichen Form und Größe des vermessenen Nanopartikels überlagert. Dies erleichtert es, die vermessenen Streulichtspektren hinsichtlich der auftretenden Wechselwirkungen zwischen den abgelagerten Nanopartikel und dem Probensubstrat zu interpretieren. In einem weiteren Projekt werden elongierte Goldnanopartikel, sog. Nanostäbchen, untersucht. Diese Nanopartikel besitzen schmalbandige Resonanzen, deren spektrale Lage durch eine Variation des Achsenverhältnisses der Goldnanostäbchen über einen großen Spektralbereich eingestellt werden kann. Diese Formabhängigkeit der optischen Eigenschaften von Nanostäbchen wird wesentlich von Mechanismen verursacht, die eine Dämpfung der plasmonischen Ladungsoszillation bewirken. In dieser Dissertation wird ein solcher Dämpfungsmechanismus untersucht, der aus elektronischen Streuprozessen der oszillierenden Leitungsbandelektronen an der Oberfläche der Goldnanostäbchen resultiert. Hierzu werden im Rahmen einer systematischen Analyse Streulichtcharakteristiken einzelner Goldnanostäbchen experimentell erfasst. Mit der resonanten Anregung der Ladungsoszillationen in einem Edelmetallnanopartikel geht eine hohe Verstärkung des elektromagnetischen Feldes an der Oberfläche des Nanopartikels einher. Ein derart verstärktes optisches Feld kann zur Anregung nicht-linearer optischer Phänomene, z.B. von Raman-Streulicht-Signalen, dienen. In dieser Arbeit wird der Aufbau eines Messplatzes dokumentiert, der zur Vermessung von Raman-Streulicht-Signalen unter Ausnutzung dieses Verstärkungseffektes eingesetzt werden soll. Der Messplatz wird charakterisiert und die Fähigkeit zur verbesserten Detektion von Raman-Streulicht-Signalen von unterschiedlichen nanostrukturierten Proben miteinander verglichen.

Upon irradiating noble metal nanoparticles with light, unique optical phenomena can occur, such as resonantly enhanced light-scattering and light-absorption, or a tremendous enhancement of the optical fields close to the surface of the nanoparticles. These phenomena rely on the excitation of collective oscillations of the conduction electrons within a nanoparticle. The optical properties of a nanoparticle are primarily determined by the resonance frequency of these so-called plasmon oscillations. The optical properties of noble metal nanoparticles could be used to detect or to systematically excite interactions between noble metal nanoparticles and their environment. These interactions are the central subject of this thesis. Particular attention is paid to so-called photothermal interactions. Here, the large light absorption of nanoparticles enables usage of laser irradiation to induce a temperature rise in the nanoparticles and their immediate environment. An interesting question is to what extent a nanoparticle-supported, photothermally-induced temperature rise can be applied to control a biomolecular reaction in a spatially confined volume. By carefully adjusting the photothermal treatment, one aims at not damaging the chemical functionality of the molecules. The photothermal interaction is addressed in two projects: First, networks of gold nanoparticles are investigated. In these networks, double-stranded DNA-molecules are used to interlink and assemble single nanoparticles. A photothermally-induced temperature rise aims at a collective breaking of these DNA-interlinkages, which results in a dissociation of the networks. These dissociation processes are concomitant with a color change of the nanoparticles systems which results from a discontinuation of a plasmonic coupling effect. This color change is used for the spectroscopic detection of the network dissociation. A second project demonstrates a nanoparticle-assisted photothermal control of an enzymatic reaction. For this purpose, enzymes are chemically attached to the surface of gold nanospheres. These nanospheres then become subject to a photothermal treatment. By using the temperature-dependent catalytic activity of the enzymes, the photothermal treatment controls the reaction kinetics of an enzymatic reaction that takes place in the environment of the nanoparticles. Furthermore, this thesis investigates the interactions between single gold nanospheres and the sample substrate used for the deposition of the spheres. In this project, an optical tweezer is used to immobilize single gold nanospheres in an aqueous suspension, and to subsequently deposit the nanospheres onto a sample substrate. The changes in the light-scattering spectrum due to this deposition process are measured on single nanoparticles. With this method the observed spectral changes are not masked by spectral contributions from variations of the shape and size of the particular nanoparticles. This considerably simplifies the interpretation of the recorded light-scattering spectra concerning their correlation with the interactions between the deposited nanoparticles and the sample substrate. Another project investigates elongated gold nanoparticles, so-called nanorods. These nanoparticles exhibit narrow-band plasmonic resonances that can be tuned over a broad spectral range by varying the aspect ratio of the nanorods. This shape dependence of the nanorods is largely caused by damping processes of the plasmon oscillation. In this thesis, a particular contribution to plasmon damping is investigated that is caused by electronic scattering of the oscillating conduction electrons off the nanoparticle surface. For this investigation, light-scattering spectra of single gold nanorods are recorded systematically. The resonant excitation of the conduction electrons in a noble metal nanoparticle is accompanied by a drastic enhancement of the exciting optical fields at the surface of the nanoparticle. This large enhancement can be used to excite nonlinear optical phenomena, for example Raman scattering. In this thesis, the construction of a setup is presented that aims at using this enhancement effect for the detection of Raman-scattering signals. This setup is tested and the ability to improve the detection of Raman signals is compared for different nanostructured samples.

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