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Summary
The results of this work can be separated in two parts – the experimental and theoretical
assessment of the fluorescence in the vicinity of a flat gold interface, and the surface
modification and synthesis of gold nanoparticles and gold nanowires. At the end first steps to a
more complex study on the fluorescence intensity near more complex objects as gold
nanoparticles were done.
A defined multilayer architecture at the nanometer scale for the study of the fluorescence
in the presence of a metal interface was designed and precisely experimentally implemented. An
ultrasmooth gold film was used in combination with self-assembled monolayers and layer-bylayer
deposition of polyelectrolytes allowing for the separation of fluorescing dyes from a gold
interface in a controlled and precise manner. The characteristics (thickness, roughness, optical
constants) of the layers were fully analysed by a variety of techniques (Small Angle X-ray
Reflectivity, Atomic Force Microscopy, Surface Plasmon Spectroscopy).
In Chapter 4 the behaviour of fluorescing dyes at a planar metal-dielectric interface was
investigated in Kretschmann configuration. The fluorescence intensity, angular distribution of
the emission, and photobliching rate of fluorescing molecules placed at different separation
distance to the gold interface were experimentally and theoretically evaluated. A perfect
correlation between theory and experiment was found for a separation distance larger than 15
nm. Surprisingly, a clear discrepancy between measurement and experiment was determined at
very close proximity to the gold layer, though experiments on the excitation lifetime of europium
complex conducted by other researchers showed very good correlation to the theory. In order to
clarify that, the problem was addressed on single molecule level which confirmed the results
with an ensemble of molecules. One speculation on the reason for the discrepancy between the
results described here and others results may imply that this is due to the stronger oscillator
strength of fluorophore used in the current study (compared to the Europium complex which is
phosphorescent) which leads to stronger interaction with the gold interface. Another reason
could be the ultrasmooth gold interface used in experiments described here, since it is known
that rough metal surfaces can lead to enhancement of the fluorescence. Moreover, it is known
that the very elegant Langmuir-Blodgett deposition technique used in the experiments before,
often leads to films with pinholes, defects and domains which will be a reason for
inhomogeneous distribution of the dye in vertical direction. Although, the complete
understanding of the effects described above might need further experimental and theoretical attention, this study is a significant contribution to the application of Surface Plasmon
Fluorescence Spectroscpy as an analytical tool for detection of surface recognition reactions as
well as in all processes were a fluorescing dye is used with a metal interface.
The second part of this work was dedicated to gold nanoparticles and gold nanowires
(Chapter 5). Firstly, the undefined shell of physically adsorbed ions on the surface of citrate
reduced gold nanoparticles was exchanged by a self-assembled monolayer of 2-mercaptosuccinic
acid. Series of comparative tests unambiguously proved a successful surface modification
expressed in a better pH stability and cyanide dissolution resistance. Then a new route for the
synthesis of monolayer protected gold nanoparticles with size above 10 nm was established. The
syntheses were conducted in aqueous medium as only HAuCl4 and 2-MSA were used, without
employing any additional reduction agent. This new synthesis can be very useful in cell imaging,
DNA labels, catalysts or optical sensors, applications where narrow size distribution is not
required. At a particular molar ratio between the reagents this new synthesis resulted in gold
nanowires. The synthetic procedure is simple, one step, conducted in aqueous medium and
without the use of any additional surfactants. The length of the gold wires is in the order of
micrometers and the cross section down to 15 nm. Surface analytical techniques such as SEM,
TEM and AFM were used in order to clarify the structure and morphology of the wires.
Conductivity measurements of a single wire proved its metallic properties. The suitability of the
wires for nanomanipulation as well as the very high current density suggests their usefulness for
application in nanoelectronic devises. The synthesis of nanowires in solution is also interesting
from a point of view to reaching the gram scale production and their use as fillers, since the
production of a composite conducting material will require 10 times less material if metal
particles are exchanged with wires.
Pursuing the ultimate goad, or the behaviour of fluorescing dyes near more complex
metal objects, a multilayered architecture involving a gold interface and gold nanoparticles,
which were separated by a well defined polymer spacer was constructed. The properties of the
system were fully characterized by surface and optical analytical techniques. The optical
constants of the gold nanoparticles were found to be strongly dependent n the separation distance
to the gold interface.
In an outlook, a next step of research involving the multilayered system described in
Chapter 6 could be the deposition of fluorescing dyes around the gold nanoparticles. The
plasmon field of the gold nanoparticles, excited by the surface plasmon field of the flat gold
interface could lead to a modification of the emission rate of the fluorophore expressed in an
enhanced emission. The direct consequence of that could be an improved sensitivity of the instrument. Another possible variation could be the deposition of a polymer spacer around the
gold nanoparticles. This could happen in solution or on surface. Then the influence of the
separation distance between the curved interface of the gold nanoparticles and a fluorescing dye
can be investigated. Another approach can be the deposition of fluorophore between two gold
nanoparticles or a gold nanoparticle and a flat gold interface. In this case the enhanced
electromagnetic field between the two metal surfaces will impact on the radiative emission of the
dye.
This work is to be understood as a small step toward the understanding of the behaviour
of fluorescing species in the vicinity of a metal interface. For complete revealing of the
corresponding phenomena more work should be done in the future. Due to its complexity, the
research should involve the efforts of interdisciplinary teams composed of scientists with diverse
background.
Zusammenfassung
Heutzutage ist die Fluoreszenz-Spektroskopie eine verbreitete Methode in der
biomedizinischen Forschung und die am meisten genutzte Methode in der medizinischen
Diagnose, der DNA-Sequenzanalyse und der Genomforschung. Die Grundlagen der
Fluoreszenz sind einschließlich der Faktoren, die die Emission beeinflussen, wohlverstanden
(z. B. Quenching, Umwelteinflüsse, Resonanzenergietransfer und Rotationsenergie). Die
Fluoreszenz-Spektroskopie wird zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von
Makromolekülen und deren Wechselwirkung untereinander eingesetzt. Die Intensitäts-,
Energietransfer- und Anisotropiemessung sind weit verbreitete Methoden in der DNAHybridisierungsmessung,
der Arzneimittelentwicklung und der HIV-Analyse.
Es ist bekannt, daß sich das Verhalten fluoreszierender Verbindungen in der Umgebung von
metallischen Objekten verändert. Dies kann zur Abschwächung (ebene Metallgrenzfläche)
oder Verstärkung (rauhe Metalloberfläche, Metallpartikel) der emittierten Fluoreszenz führen.
Das Ziel dieser zukunftsweisenden Arbeit ist die Erforschung des Verhaltens eines
Fluorophores in der direkten Umgebung einer Metalloberfläche, da das Verständnis des
zugrunde liegenden Phänomens sehr wichtig für alle Prozesse ist, in denen fluoreszierende
Farbstoffe an Metalle angrenzen (Solarzellen, LED´s) insbesondere für Anwendungen in der
Sensorik.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können in zwei Abschnitte eingeteilt werden: Die experimentelle
und theoretische Untersuchung der Fluoreszenz an ebenen Goldgrenzflächen und die
Synthese und Oberflächenmodifizierung von Goldnanopartikeln und – nanodrähten.
Abschließend wurden erste Untersuchungen zur Fluoreszenzintensität in der Umgebung
komplexer Objekte durchgeführt.
Zur Untersuchung der Fluoreszenz in Gegenwart metallischer Grenzflächen wurde ein
definiertes Mehrlagensystem im nm-Maßstab dargestellt und experimentell untersucht. Eine
sehr glatte Goldschicht wurde zusammen mit einer sich selbst anordnenden Monolage und
einer schichtweisen Anordnung von Polyelektrolyten benutzt, um einen fluoreszierenden
Farbstoff in einem kontrollierbaren Abstand von der Goldoberfläche anzuordnen. Die
charakteristischen Eigenschaften (Schichtdicke, Rauhigkeit, optische Eigenschaften) dieser
Schichten wurden mit verschiedenen Techniken (Kleinwinkel-Röntgenreflektivität, Raster-
Kraft-Mikroskopie, Oberflächen-Plasmonenspektroskopie) untersucht.
In Kapitel 4 wird das Verhalten fluoreszierender Farbstoffe auf einer flachen metallischdielektrischen
Oberfläche in Kretschmann-Anordnung untersucht. In diesem Kapitel wurde
die Intensität der Fluoreszenz, die Winkelverteilung der Emission und die Bleichungsquote
von fluoreszierenden Molekülen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der
Goldoberfläche befinden experimentell und theoretisch untersucht. Die Ergebnisse der
theoretischen und experimentellen Versuche stimmen ab einem Abstand von 15 nm überein.
Überraschenderweise kommt es aber bei kürzeren Abständen zu Abweichungen zwischen der
Theorie und dem experimentellen Ergebnis, obwohl Experimente mit den entsprechenden
Europium-Komplexen über die Lebensdauer im angeregten Zustand eine gute
Übereinstimmung zur Theorie ergeben. Um dieses Problem zu klären wurden auch einzelne
Moleküle untersucht, die das vorherige Ergebnis aber bestätigten. Eine mögliche Ursache für
die Diskrepanz zwischen den hier beschriebenen und den bisher bekannten Ergebnissen kann
die stärkere Oszillator-Kraft der hier verwendeten Fluorophore (im Vergleich zu den
phosphoreszierenden Europium-Komplexen) sein, die zu stärkeren Wechselwirkungen mit der
Goldoberfläche führt. Eine weitere Ursache für die Abweichung von den bekannten
Ergebnissen ist möglicherweise die hier benutzte sehr glatte Goldoberfläche, da
bekanntermaßen rauhe Metalloberflächen zu einer Steigerung der Fluoreszenz führen. Ferner
ist es bekannt, daß die früher benutzte Langmuir-Blodgett-Abscheide-Methode zu
Oberflächen mit Löchern, Fehlern und Bereichen mit inhomogener Verteilung der Farbstoffe
in senkrechter Richtung führt. Obwohl es zum vollständigen Verständnis der hier
beschriebenen Effekte weiterer experimenteller und theoretischer Anstrengungen bedarf, ist
diese Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Anwendung der Oberflächen-Plasmonen-
Fluoreszenzspektroskopie als Analysenmethode für Reaktionen auf Oberflächen und für
Vorgänge bei denen ein fluoreszierender Farbstoff an einer metallischen Grenzfläche benutzt
wird.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Goldnanopartikeln und – nanodrähten (Kapitel
5). Zunächst wurde die physisorbierte Citrat-Hülle von Citrat-reduzierten Goldnanopartikeln
gegen eine selbstorganisierte Monolage von 2-Mercaptobernsteinsäure ausgetauscht. Eine
Reihe von Versuchen hat eindeutig bewiesen, daß diese Oberflächenmodifikation zu einer
besseren pH - und Cyanidstabilität der Goldnanopartikellösung führt. Weiterhin wurde ein
neuer Syntheseweg zur Darstellung monolagen-geschützter Goldnanopartikel (< 10 nm)
gefunden. Die Darstellung erfolgt ohne Zugabe weiterer Reduktionsmittel im wäßrigen
Medium aus Chlorgoldsäure und 2-Mercaptobernsteinsäure. Dieser neue Syntheseweg kann
sich in der Zellabbildung, der DNA-Analyse, der Katalyse oder bei optischen Sensoren als
nützlich erweisen, da hier keine engen Größenverteilungen benötigt werden. Bei einem
bestimmten Molverhältnis zwischen den beiden Edukten erhält man bei dieser Synthese auch
Goldnanodrähte. Die Synthese der Drähte verläuft im wässrigen Medium ohne Zugabe
weiterer Detergentien in einem Reaktionsschritt. Die so entstandenen Drähte sind einige
Mikrometer lang und der Querschnitt beträgt ca. 15 nm. Verschiedene
Oberflächenanalysenmethoden wurden zur Aufklärung der Struktur und Morphologie der
Drähte angewandt. Leitfähigkeitsmessungen an einem einzelnen Draht bestätigten seine
metallischen Eigenschaften. Diese Drähte eignen sich aufgrund ihrer hohen Stromdichte
sowohl für verschiedene Anwendungen in der Nanoelektronik als auch zur
„Nanomanipulation“. Die Darstellung der Nanodrähte in wäßriger Lösung im Grammbereich
bietet interessante Möglichkeiten für leitende Füllstoffe, da eine Mischung aus leitenden
Materialien 10 mal weniger Material benötigt, falls Metallpartikel mit Drähten wechselwirken
können.
Zur Erforschung des Verhaltens von fluoreszierenden Farbstoffen in der Umgebung von
komplexeren Metallobjekten wurde auf einer Goldoberfläche eine Schicht Goldnanopartikel
aufgebracht, die aber von dieser Goldoberfläche durch eine Lage eines Polymers
wohldefinierter Größe abgetrennt waren. Die Eigenschaften dieses neu synthetisierten
Systems wurden durch Oberflächen- und optische Analysenmethoden charakterisiert. Die
optischen Eigenschaften der Goldnanopartikel sind stark abhängig von der Distanz zur
Goldoberfläche.
Der nächste Schritt der Erforschung des in Kapitel 6 beschriebenen mehrschichtigen Systems
wäre die Auftragung von fluoreszierenden Farbstoffen auf den Nanopartikeln. Das
Plasmonenfeld der Nanopartikel, angeregt durch das Oberflächenplasmon der flachen
Goldfläche, könnte zu einer Veränderung der Emissionsrate der Fluorophore führen, was sich
durch eine verstärkte Emission ausdrücken würde. Die direkte Konsequenz hieraus wäre eine
erhöhte Sensitivität dieses Systems. Eine weitere mögliche Variation dieses Systems wäre die
Auftragung eines Polymers als Abstandshalter um die Goldnanopartikel, was sowohl in
Lösung als auch direkt auf der Oberfläche möglich ist. Dann wäre es möglich, den Einfluß des
Abstandes zwischen der Oberfläche der Goldpartikel und des fluoreszierenden Farbstoffes zu
untersuchen. Möglich wäre auch eine Abscheidung der Fluorophore zwischen zwei
Goldpartikeln oder zwischen einem Goldpartikel und der Goldoberfläche. In diesem Fall
würde die Verstärkung des elektromagnetischen Feldes zwischen den beiden
Metalloberflächen die Lichtemmision des Farbstoffes beeinflussen.
Diese Arbeit soll ein kleiner Schritt zum Verständnis des Verhaltens von fluoreszierenden
Verbindungen in der Nähe von metallischen Grenzflächen sein. Zum vollständigen
Verständnis dieser Phänomene ist zukünftig noch viel Arbeit notwendig. Aufgrund ihrer
Komplexität erfordert die Erforschung dieses Phänomens die Zusammenarbeit von
Wissenschaftlern, die in ein interdisziplinäres Team sowohl chemische als auch physikalische
Erfahrung einbringen.