Authors:	Ament, Irene
Title:	Fluctuation spectroscopy of single plasmonic nanostructures
Online publication date:	23-Jan-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	Plasmonic nanoparticles are great candidates for sensing applications with optical read-out. Plasmon sensing is based on the interaction of the nanoparticle with electromagnetic waves where the particle scatters light at its resonance wavelength. This wavelength depends on several intrinsic factors like material, shape and size of the nanoparticle as well as extrinsic factors like the refractive index of the surrounding medium. The latter allows the nanoparticle to be used as a sensor; changes in the proximate environment can be directly monitored by the wavelength of the emitted light. Due to their minuscule size and high sensitivity this allows individual nanoparticles to report on changes in particle coverage.rnrnTo use this single particle plasmon sensor for future sensing applications it has to meet the demand for detection of incidents on the single molecule level, such as single molecule sensing or even the detection of conformational changes of a single molecule. Therefore, time resolution and sensitivity have to be enhanced as today’s measurement methods for signal read-out are too slow and not sensitive enough to resolve these processes. This thesis presents a new experimental setup, the 'Plasmon Fluctuation Setup', that leads to tremendous improvements in time resolution and sensitivity. This is achieved by implementation of a stronger light source and a more sensitive detector. The new setup has a time resolution in the microsecond regime, an advancement of 4-6 orders of magnitude to previous setups. Its resonance wavelength stability of 0.03 nm, measured with an exposure time of 10 ms, is an improvement of a factor of 20 even though the exposure time is 3000 times shorter than in previous reports. Thus, previously unresolvable wavelength changes of the plasmon sensor induced by minor local environmental alteration can be monitored with extremely high temporal resolution.rnrnUsing the 'Plasmon Fluctuation Setup', I can resolve adsorption events of single unlabeled proteins on an individual nanorod. Additionally, I monitored the dynamic evolution of a single protein binding event on a millisecond time scale. This feasibility is of high interest as the role of certain domains in the protein can be probed by a study of modified analytes without the need for labels possibly introducing conformational or characteristic changes to the target. The technique also resolves equilibrium fluctuations in the coverage, opening a window into observing Brownian dynamics of unlabeled macromolecules. rnrnA further topic addressed in this thesis is the usability of the nanoruler, two nanospheres connected with a spacer molecule, as a stiffness sensor for the interparticle linker under strong illumination. Here, I discover a light induced collapse of the nanoruler. Furthermore, I exploit the sensing volume of a fixed nanorod to study unlabeled analytes diffusing around the nanorod at concentrations that are too high for fluorescence correlation spectroscopy but realistic for biological systems. Additionally, local pH sensing with nanoparticles is achieved. Plasmonische Nanopartikel eignen sich hervorragend als optische Sensoren. Die Basis des Sensors ist die Wechselwirkung zwischen den Leitungselektronen des Nanopartikels und der einfallenden elektromagnetischen Welle was im Resonanzfall zu starker Lichtstreuung führt. Diese Resonanzwellenlänge ist abhängig von Partikeleigenschaften wie Material, Form und Größe, sowie vom Brechungsindex der Umgebung. Letzteres wird für die Sensorik ausgenutzt; Änderungen in der direkten Umgebung werden durch eine Verschiebung der Resonanzwellenlänge wiedergegeben. rnUm diese Plasmonensensoren für zukunftsweisende Sensoranwendungen zu nutzen, ist es notwendig, aktuelle Herausforderungen zu meistern. Diese ist unter anderem die Detektion von einzelnen unmarkierten Molekülen bis hin zu Konformationsänderungen der Selben. Um dies zu ermöglichen, ist es notwenig, Zeitauflösung und Sensitivität des Plasmonensensors zu verbessern. Heutzutage gängige Messmethoden für plasmonische Nanopartikel weisen trotz langer Belichtungszeit ein zu geringes Signal-zu-Rauschverhältnis auf um die angesprochenen Prozesse zu detektieren. Diese Arbeit stellt einen neuen Aufbau vor, welcher eine dramatische Verbesserung der Zeitauflösung und der Sensitivität aufweist. Dies wird erreicht, indem zum einen die Lampe durch einen Weißlichtlaser ersetzt wird und zum anderen ein sensitiverer Detektor verwendet wird. Hierdurch ist nun eine Auslesezeit im Mikrosekundenbereich möglich, was eine Verbesserung um 4-6 Größenordnungen im Vergleich zu vorherigen Aufbauten darstellt. Die Stabilität der Resonanzwellenlänge beträgt etwa 0,03 nm, aufgenommen mit einer Belichtungszeit von 10 ms. Dies ist eine Verbesserung zu vorherigen Angaben um Faktor 20 bei 3000 mal schnellerer Auslesezeit. Somit erlaubt es dieser Aufbau kleinste Wellenlängenänderungen mit extrem hoher Zeitauflösung zu verfolgen.rnUnter Verwendung des verbesserten Aufbaus zur Vermessung von einzelnen plasmonischen Nanopartikeln ist es gelungen, die Adsorption einzelner unmarkierter Proteine an den Sensor zu detektieren. Dieser Adsorptionsprozess konnte nicht nur nachgewiesen, sondern sogar auf der Millisekundenskala zeitlich aufgelöst werden. Hierdurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten. Eine davon ist die Studie des Einflusses von Unterstrukturen des Adsorbats auf dessen Stabilität. Die Technik erlaubt es weiterhin, Gleichgewichtsfluktuationen in der Sensorbedeckung zu verfolgen und öffnet somit ein Fenster zur einfachen Untersuchung der Bindungskinetik in einer einzigen Messung. rnZusätzliche Themen dieser Arbeit sind: Die Nutzbarkeit des ‚Nanorulers‘ – zwei durch einen Abstandhalter verbundene Nanokugeln – als Sensor für die Steifigkeit des Abstandhalters. Die Verwendung des sensitiven Volumens eines immobilisierten Nanostäbchens, ähnlich wie bei der Fluktuations-Korrelations-Spektroskopie, um die Diffusion von in Lösung befindlichen Molekülen zu studieren und die Vermessung des lokalen pH-Wertes mit einzelnen, dafür funktionalisierten Nanopartikeln. rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1293
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30140
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	139 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen