Authors:	Jakab, Arpad
Title:	Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles
Online publication date:	4-Aug-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn Plasmons are the collective resonant oscillations of the conductive electrons. Excited by light,rnlocalized plasmons in single subwavelength sized nanoparticles are promising candidates for futurernmicro-scale sensors due to the strong dependency of the resonance on externally controlled pa-rnrameters like the optical properties of the surrounding medium and the electric charging of thernnanoparticles themselves. Extremely high scattering e_ciency of the localized plasmon makesrnsingle nanoparticles easily observable with appropriate microscopic setups.rnThe requirement of collecting a statistically relevant number of data points in a short timernand the emerging relevance of plasmonic (especially gold) nanoparticles for medical applicationsrndemanded an automatized microscope that can measure in the previously only partially accessedrnbiological window of 650 to 900nm. I introduce in this work the Plasmoscope that has beenrndesigned and built to ful_ll the mentioned requirements with (1) the insertion of an adjustablernvertical slit placed into the entrance plane of the spectrometer that overlaps with the image planernof the microscope and (2) a precision positioning stage to scan the sample through this narrowrnwindow. This realization avoids optical elements that absorb in the near infra red.rnWith the Plasmoscope I investigate with high precision the plasmonic sensitivity, the resonancernshift upon changing the surrounding medium of single gold and silver nanoparticles. The sensitivityrnis a basic measure of how well nanoparticles are able to detect smallest changes in their vicinity,rntherefore it has an immense importance to understand which parameters in_uences it. I showrnthat silver nanorods have a higher sensitivity than gold in the biological window, moreover, thatrnthe sensitivity increases with increasing thicknesses. I provide a theoretical discussion of thernunderlying physical processes, identify the material parameters that impact the sensitivity, andrnderive mathematical expressions to model the system. In another approach I present experimentalrndata supporting the theoretical _nding that gold nanorods with an aspect ratio of 3 to 4 show thernbest performance for sensing applications that also consider the line-width of the resonance peak.rnReliable sensor applications require a robust reversibility that is investigated with gold and silverrnnanorods.rnThe plasmon resonance wavelength depends also on intrinsic material parameters: electronrndensity, background polarizability, and the relaxation time. Based on my experimental resultsrnI show that copper-gold alloy nanorods possess a red shifted resonance compared to pure goldrnnanorods of the same size, furthermore, that the linewidth varies with the alloy's stoichiometricrncomposition. The dependency of linewidth on material composition is also examined on silverrncoated and uncoated gold nanorods.rnSemiconductor nanoparticles are candidates for e_cient photovoltaic devices. The energy con-rnversion requires charge separation that is measured experimentally with the Plasmoscope. I mea-rnsure the growth dynamics by time tracing the scattered intensity of the light-driven growth of therngold domain on single semiconductor nanoparticles in a gold ion solution.rnrn
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-3156
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28441
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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