Wechselwirkungen von Edelmetallnanopartikeln mit ihrer Umgebung

  • Interactions of noble metal nanoparticles with their environment

Reismann, Maximilian; von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

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.

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