Synthese und Assemblierung kolloidaler
anorganischer Nanopartikel zur
Untersuchung der elektronischen Kopplung
mit Fluorophoren
DISSERTATION
zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften im
Promotionsfach Chemie
dem Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften der
Johannes Gutenberg-Universität Mainz vorgelegt von
Anne Maier (geb. Bottin)
geboren in Lübz
Mainz, 2021
D77
Dekan:
1. Berichterstatter:
2. Berichterstatter:
Tag der mündlichen Prüfung: 04. Juli 2022
Meinen Eltern

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
2. Theoretische Grundlagen 5
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. Optische Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln . . . . . 5
2.1.2. "Hot Spots": Kopplung der Partikelplasmonen zweier benachbar-
ter Goldnanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3. Wechselwirkungen eines Fluorophors mit dem plasmonischen Nahfeld 14
2.2. Halbleiternanokristalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1. Grundlegendes zu den physikalischen Eigenschaften von Halblei-
ternanokristallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2. Synthese von Halbleiternanokristallen . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3. Oberächenchemie von Halbleiternanokristallen . . . . . . . . . . 23
2.2.4. Kern-Schale-Halbleiternanokristalle . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.5. Energie- und Ladungstransfer mit Halbleiternanokristallen . . . . 26
2.2.6. Spektroskopische Methoden für die Untersuchung von Energie-
und Ladungstransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. Experimenteller Teil 32
3.1. Synthese und Assemblierung von Goldnanopartikeln (GNPs) . . . . . . . 32
3.1.1. Synthese und Charakterisierung der GNPs . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.2. Funktionalisierung der GNPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3. Assemblierung der GNPs mit WSCP . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Synthese der Halbleiternanokristalle (QDs) und der Komplexe mit Pery-
lendiimid bzw. Terrylendiimid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.1. Precursor-Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2. Synthese der CdSe-Halbleiternanokristalle . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.3. Synthese der CdSe/CdS/ZnS Kern-Schale-Halbleiternanokristalle 40
3.2.4. Synthese der CdTe/CdSe/ZnS Kern-Schale-Halbleiternanokristalle 41
3.2.5. Synthese der CdSe- und CdSe/CdS/ZnS-Perylendiimid-Komplexe 43
3.2.6. Synthese der CdTe/CdSe/ZnS-Terrylendiimid-Komplexe . . . . . 44
3.2.7. Verwendete Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3. Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1. Statische Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.2. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.3. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) . . . . . . . . . . . . 47
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP 48
4.1. WSCP und elektronische Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld 50
4.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte Goldnanopartikel . . . . . . . . 55
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel . 62
4.3.1. Assemblierung Streptavidin-stabilisierter GNPs . . . . . . . . . . 64
4.3.2. Assemblierung Polyethylenglycol-stabilisierter GNPs . . . . . . . . 83
4.4. Untersuchung der GNP-WSCP-Aggregate mit Cryo-TEM . . . . . . . . . 93
4.5. Anreicherung der Nanoantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5.1. Viskositätsgradientenzentrifugation . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.5.2. Abstandsabhängigkeit der Plasmonenresonanz . . . . . . . . . . . 108
4.5.3. Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen . . . . . . . 120
4.6.1. Überprüfung des Messprinzips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6.2. Polarisationsabhängigkeit des Dimerplasmons . . . . . . . . . . . 124
4.6.3. Fluoreszenzverstärkung von WSCP an GNP-Dimeren . . . . . . . 126
4.6.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid 133
5.1. Charakterisierung der Halbleiternanokristalle . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2. Statische spektroskopische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.4.1. Anregung der CdSe-Nanokristalle in den Komplexen . . . . . . . 147
5.4.2. Anregung des Perylendiimids in den Komplexen . . . . . . . . . . 152
5.5. Zusammenfassung und Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen 159
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur . . . . . . . . . . . . . . 160
6.1.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur bei höheren Reak-
tionstemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.2. Einuss des Ligandenanteils in der Reaktionslösung und des Vor-
stufenvolumens auf die Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2. Einstuge Synthese CdTe/CdSe-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3. Beschichtung der CdTe/CdSe-Struktur mit ZnS . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4. Hydrophilisierung der QDs durch Ligandenaustausch mit Dihydroliponsäure 178
6.5. Energie- und Ladungstransfer mit LHCII und Methylviologen . . . . . . . 178
6.6. Komplexe mit Terrylendiimid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.7. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7. Zusammenfassung und Ausblick 186
Literatur 193
A. Anhang I
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP . . . . . . . . . I
A.1.1. TEM-Aufnahmen der verwendeten GNPs . . . . . . . . . . . . . I
A.1.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte GNPs . . . . . . . . . VI
A.1.3. Einuss der Biotin-Position und Verwendung von WSCP-Varianten
aus virginischer Kresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
A.1.4. Viskositätsgradientenzentrifugation an citrat- und PEG-stabilisierten
GNP-WSCP-Aggregaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII
A.1.5. Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
A.1.6. Durchführung der kombinierten Rasterkraft-/FluoreszenzmikroskopieXVII
A.1.7. Exemplarische Fluoreszenzzeitspuren von reinem WSCP . . . . . XIX
A.1.8. Extinktionsspektren der verwendeten WSCP-GNP-Proben . . . . XX
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI . . . . . . . . . . XXI
A.2.1. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
A.2.2. Transiente Absorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . XXIV
A.3. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-QDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXVII
Danksagung i
Lebenslauf iii

1. Einleitung
Der Anwendungsbereich anorganischer Nanopartikel erstreckt sich von Kosmetika und
Lebensmitteln [1, 2], über den Einsatz in der Medizin [3, 4] bis hin zu optoelektroni-
schen Anwendungen wie LEDs [5, 6] oder Solarzellen [7, 8]. Die Vielfältigkeit möglicher
Anwendungen spiegelt sich auch in der Zahl wissenschaftlicher Journale, welche sich dem
Themenbereich widmen, wider: Existierte 1990 ein Nano-Journal, stieg die Zahl bis 2012
auf 161 [4].
Anorganische Nanopartikel zeichnen sich durch ihre einzigartigen magnetischen, op-
tischen und elektronischen Eigenschaften aus, welche sich enorm von denen des korre-
spondierenden makroskristallinen Materials unterscheiden können [9]. Als Beispiele sind
superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel [10] und die opto-elektronischen Eigenschaf-
ten von Halbleiternanokristallen [1113] und von metallischen Nanopartikeln [1416] zu
nennen. Ein Vertreter der letztgenannten liefert das vielleicht eindrücklichste Beispiel für
die unterschiedlichen Eigenschaften des Bulkmaterials und des entsprechenden nanosko-
pischen Materials: Lösungen kolloidaler Goldnanopartikel weisen eine intensive rubinrote
Farbe auf  im Gegensatz zum metallisch glänzenden makroskopischen Gold. Der Zusam-
menhang zwischen den verschiedenen intensiven Farben kolloidaler Goldnanopartikellösun-
gen und der Gröÿe der Goldpartikel wurde von Michael Faraday im Jahre 1857 beschrieben
[17]. Diese Abhandlung wird heute als eines der ersten Beispiele für Nanopartikel in einem
wissenschaftlichen Kontext betrachtet [18]. Den Beginn moderner nanowissenschaftlicher
Forschung markiert die Beschreibung der Gröÿenabhängigkeit der elektronischen Struktur
von Halbleiternanokristallen in den 1980ern [1921].
Beide letztgenannten Arten anorganischer Nanopartikel, Halbleiternanokristalle und Gold-
nanopartikel, sind in verschiedenen Kontexten Thema der vorliegenden Arbeit und sollen
im Folgenden kurz umrissen werden. Obwohl sich beide Materialien hinsichtlich der Art
ihrer opto-elektronischen Eigenschaften unterscheiden, ist ihnen die Gröÿenabhängigkeit
dieser gemein. Die Gröÿenabhängigkeit der optischen Eigenschaften erlaubt die exible
Anpassung von Nanopartikeln für die gewünschten Anwendungen mit Hilfe der Variation
der Kristall- bzw. Partikelgröÿen und -formen [2225]. Diese Modizierung der optischen
Eigenschaften ist in makrokristallinen Systemen nicht möglich.
Bendet sich ein Goldnanopartikel in einem elektromagnetischen Feld geeigneter Wel-
lenlänge, oszillieren die freien Elektronen des Leitungsbandes resonant mit der Frequenz
des einfallenden Feldes. Diese kollektive Oszillation der Elektronen wird als Plasmon be-
zeichnet. Der Partikel kann als elektrischer Dipol betrachtet werden, welcher resonant
1
das einfallende Licht streut und absorbiert. Daher werden die Partikel auch als Nano-
antennen bezeichnet. Die beschriebenen Vorgänge sind die Ursache für die von Faraday
beschriebenen Farben der kolloidalen Lösungen. Die Resonanzbedingung hängt dabei von
der Gröÿe und der Form der Partikel sowie der dielektrischen Konstante des umgebenden
Mediums ab [15]. Das Plasmon führt zu groÿen Feldverstärkungen in der nahen Umge-
bung der Partikel. Zusammen mit der chemischen Inertheit und der Möglichkeit, Goldna-
nopartikel in verschiedenen Kristallformen und -gröÿen zu synthetisieren [2628] und ver-
schiedenartig zu funktionalisieren [29, 30], begründen diese Feldverstärkungen das enorme
Forschungsinteresse an plasmonischen Goldnanopartikeln. Sie nden auf vielfältigen Ge-
bieten Anwendung: Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom umgebenden Medium
ermöglicht deren Einsatz als Sensoren [3134]. Das plasmonische Nahfeld verstärkt die
elektronischen und vibronischen Übergänge von Molekülen: Goldnanoantennen können die
Wirkungsquerschnitte von Ramanstreuung verstärken [35, 36], sodass sogar die Messung
von Raman-Spektren einzelner Moleküle an Goldnanopartikelstrukturen möglich [37] ist.
Das Plasmon kann auch die Übergangsraten und Anregungsraten von Fluorophoren so
beeinussen, dass deren Fluoreszenz verstärkt wird [3842].
Die optischen Eigenschaften von Halbleiternanokristallen (QDs) prädestinieren diese für
den Einsatz in optoelektronischen Anwendungen wie LEDs [6, 43, 44] und Solarzellen [8,
43, 45] oder als uoreszierende Marker in biologischen Systemen [46]. Das Forschungs-
gebiet durchlief in den letzten 30 Jahren eine rasante Entwicklung, sodass sie mittlerweile
unter dem Schlagwort Quantum Dot Display Anwendung in LED-Fernsehern diverser
Hersteller nden [47]. Die Entdeckung der Gröÿenabhängigkeit der Bandlücke von QDs in
den 1980er Jahren geht auf die Arbeiten von Aleksey Ekimov [48], Alexander Efros [49],
Louis Brus [50] und Armin Henglein [20] zurück. Die Gröÿenabhängigkeit der Bandlücke
ist auf die räumliche Beschränkung des Exzitons (Elektron-Loch-Paar) auf die Kristall-
gröÿe und die damit verbundene Quantisierung der Energieniveaus an den Bandkanten
zurückzuführen: Das Resultat sind mit Hilfe der Variation der Kristallgröÿe in ihrer Wel-
lenlänge steuerbare Absorptions- und Fluoreszenzspektren. Neben der Gröÿenabhängigkeit
der Bandlücke sind zwei weitere herausragende Eigenschaften zu nennen, welche das For-
schungsinteresse an nanokristallinen Halbleiterpartikeln bedingen: In ihnen können nach
Absorption eines Photons mit höherer Energie als deren Bandlücke mehrere Exzitonen
erzeugt werden (Multi-Exziton-Generierung) [51, 52], und Exzitonen mit höherer Energie
als die Bandlücke können in Ladungstransferanwendungen genutzt werden (heiÿe  Ex-
zitonen) [53, 54]. Standen zunächst die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften
[11, 13, 19] und die Verbesserung/Vereinfachung der Synthese [12, 5557] im Fokus,
beschäftigt sich die aktuelle Forschung mit dem fundamentalen Verständnis der Wechsel-
wirkungen von QDs mit ihrer direkten Umgebung [24, 58, 59].
Für eine weitere Optimierung der Anwendungen sowohl von plasmonischen Goldnano-
partikeln als auch von Halbleitnanokristallen ist das Verständnis von deren elektronischen
Wechselwirkungen mit umgebenden Molekülen essentiell. Hierzu werden möglichst einfa-
2
1. Einleitung
che Modellsysteme benötigt.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit dem Aufbau von Goldnanoanten-
nen zur Untersuchung der Wechselwirkung des plasmonischen Nahfeldes mit Fluorophoren.
Dazu werden sphärische Goldnanopartikel zu Dimeren assembliert, welche als Nanoanten-
nen für die Fluoreszenzverstärkung von Chlorophyll a fungieren sollen. Dabei ist das Chlo-
rophyll a in einer Proteinmatrix gebunden, dem sogenannten wasserlöslichen Chlorophyll
bindenden Protein (WSCP). Dieses ist auÿergewöhnlich stabil [60] und schützt die vier
gebundenen Chlorophylle vor äuÿeren Einüssen, insbesondere Sauersto [61]. Mit Hilfe
von in der Proteinmatrix integrierten funktionellen Einheiten dient das Protein nicht nur
als Chlorophyll-Träger, sondern vermag auch als Verbindungseinheit für die Goldnanopar-
tikel zu dienen, sowie einen ausreichend groÿen Abstand zwischen den Goldnanopartikeln
und dem Chlorophyll a zu gewährleisten, um einen Energietransfer von den Chlorophyllen
auf die Goldnanopartikel zu verhindern [34].
Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit den elektronischen Wech-
selwirkungen von QDs und einem organischen Farbsto. Hierzu wird ein von der Arbeits-
gruppe Basché entwickeltes, einfach aufzubauendes System aus einem mit Carboxylatan-
kern versehenen Perylendiimidderivat und CdSe-basierten QDs verwendet [62]. Die hierzu
vorgestellten Ergebnisse sind eine Weiterführung der Arbeiten von Ting Ren, die Energie-
transfer von mit Zinksuld passivierten CdSe-Nanokristallen auf den Farbsto untersuchte
[63]. Mit dem Einsatz von QDs geeigneter elektronischer Struktur können in den Systemen
QDs und Perylendiimid selektiv angeregt werden, was die Untersuchung der ablaufenden
Prozesse vereinfacht.
Durch die Wahl geeigneter Halbleitermaterialien können auch Kern-Schale-Nanokristalle
synthetisiert werden, welche sich durch eine räumliche Trennung der Ladungsträger (Elek-
tron und Loch) auszeichnen. Mit der Synthese solcher Partikel, bestehend aus einem
Cadmiumtellurid-Kern und Cadmiumselenid-Schalen, abschlieÿend passiviert mit Zinksul-
d beschäftigt sich der dritte Teil der Arbeit. Zum einen wurden die elektronischen Wech-
selwirkungen dieser mit dem Lichtsammelkomplex II (durchgeführt von Dr. Mara Werwie
aus der Arbeitsgruppe Paulsen an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz) untersucht.
Zum anderen wurde überprüft, ob auch ein Terrylendiimidderivat, wie der Lichtsammel-
komplex II, [64], als Energiedonor für die Kristalle agieren kann.
In Kapitel 2 werden die theoretischen Grundlagen zu plasmonischen Nanopartikeln und
uoreszierenden Halbleiternanopartikeln behandelt. Dabei wird zunächst auf die elektro-
nischen Eigenschaften der plasmonischen (Gold)-nanopartikel eingegangen, im Anschluss
daran werden die möglichen elektronischen Wechselwirkung des plasmonischen Nahfelds
mit Fluorophoren diskutiert. Im zweiten Abschnitt des Kapitels werden die grundlegenden
physikalisch-chemischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleiternanopartikeln zu-
sammengefasst. Das Kapitel endet mit einem Überblick über den Energie-und Ladungs-
transfer mit Halbleiternanopartikeln.
Die Synthese der Nanopartikel und der Konjugate mit WSCP bzw. Perylendiimid sowie
3
die experimentellen Methoden werden in Kapitel 3 vorgestellt.
Kapitel 4 widmet sich dem Aufbau und den spektrokopischen Untersuchungen von
WSCP-verbrückten Goldnanopartikel-Dimeren. Dabei werden zuerst die Voraussetzungen
für eine erfolgreiche Wechselwirkung der Partikelplasmonen mit dem WSCP diskutiert. Im
Anschluss daran werden die verschiedenen Methoden zum Aufbau der Dimere in kolloidalen
Lösungen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Problematik der Evaluierung der Proben-
zusammensetzung eingegangen, bevor die Ergebnisse der Experimente zur Anreicherung
der Dimere präsentiert werden. Die Extinktionsspektren von Dimerlösungen werden mit
simulierten Daten verglichen. Das Kapitel schlieÿt mit den einzelmolekülspektroskopischen
Untersuchungen der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanopartikel-Dimeren und dem Vergleich
zu Messungen an reinem WSCP, welche von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit
durchgeführt wurden.
Gegenstand des 5. Kapitels ist die elektronische Wechselwirkung von CdSe-Nanokristal-
len mit einem Perylendiimidderivat. Zunächst werden die hierfür synthetisierten QDs und
der verwendete Farbsto charakterisiert. Darauf folgen die Diskussion der Ergebnisse sta-
tischer Absorptions- und Fluoreszenzemissionspektroskopie, sowie die der zeitaufgelösten
Fluoreszenzspektroskopie. Die Resultate der von Dr. Lars Dworak (Arbeitsgruppe Prof.
Wachtveitl, Goethe-Universität Frankfurt am Main) durchgeführten transienten Absorp-
tionsspektroskopie werden im Anschluss erläutert und die ablaufenden Prozesse am Ende
des Kapitels zusammengefasst und diskutiert.
Die Synthese sphärischer CdTe-Kern CdSe/ZnS-Schale-Partikel wird in Kapitel 6 vor-
gestellt. Zur Bindung an den Lichtsammelkomplex II und werden diese mit Hilfe eines Li-
gandenaustauschs in die wässrige Phase überführt. Die Untersuchung der elektronischen
Wechselwirkungen in diesen Komplexen wurde von Dr. Mara Werwie (Arbeitsgruppe Prof.
Paulsen, Johannes Gutenberg-Universität Mainz) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Un-
tersuchungen werden kurz zusammengefasst. Darüber hinaus werden Komplexe mit einem
Terrylendiimid-Derivat aufgebaut und überprüft, ob, in Analogie zu den Untersuchungen
der Komplexe mit dem Lichtsammelkomplex [64], auch in diesen Komplexen ein Energie-
transfer vom Farbsto auf die QDs stattndet.
Die Arbeit schlieÿt mit einer Zusammenfassung der durchgeführten Untersuchungen,
wobei auch Ausblicke auf zukünftige Untersuchungen gegeben werden.
4
2. Theoretische Grundlagen
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die elektronischen Wechselwirkungen von Fluo-
rophoren mit Goldnanopartikeln und Halbleiternanokristallen in verschiedenen Systemen
untersucht. Im Folgenden werden die photophysikalischen Eigenschaften von Goldnano-
partikeln und Halbleiternanokristallen erläutert und die möglichen elektronischen Wech-
selwirkungsmechanismen mit umgebenden Molekülen diskutiert.
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Bendet sich ein metallischer Nanopartikel in einem elektromagnetischen Feld geeigneter
Wellenlänge kommt es zu groÿen Feldverstärkungen in der Umgebung des Partikels. Auf
diesen Feldverstärkungen beruhen die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten metallischer
Nanopartikel als Sensoren [3134], als Verstärker von Ramanstreuung [35, 36] oder zur
Fluoreszenzverstärkung [3842].
Ein zentrales Ziel der Arbeit ist die Assemblierung von sphärischen Goldnanopartikeln
(GNPs) zu Dimeren, welche als Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von Chlo-
rophyll a fungieren sollen. Dazu werden im folgenden Abschnitt zunächst die grundle-
genden opto-elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln diskutiert. Im
Anschluss daran wird auf die elektronische Wechselwirkung von metallischen Nanoparti-
keln miteinander eingegangen, bevor die elektronische Interaktion von Fluorophoren mit
metallischen Nanopartikeln beleuchtet wird.
2.1.1. Optische Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln
Ist die Gröÿe eines metallischen Partikels kleiner als die Wellenlänge des eintreenden elek-
tromagnetischen Feldes, so ist dieses in der Lage, den Partikel vollständig zu durchdringen.
Die Leitungsband-Elektronen des Partikels werden durch das einfallende Feld relativ zum
Kristallgitter ausgelenkt. Dadurch wird der Partikel polarisiert. Die verbleibende positive
Ladung wirkt als Coulomb-Anziehung auf die ausgelenkten Elektronen, so dass diese eine
Rückstellkraft erfahren und kollektiv mit der Frequenz des einfallenden Feldes oszillieren
[65]. Schematisch ist diese Wechselwirkung der Elektronen mit dem einfallenden elektro-
magnetischen Feld in Abbildung 2.1 skizziert. Die kollektive harmonische Oszillation der
Elektronen wird als Partikelplasmon bezeichnet [66]. Das Plasmon selbst ist ein Quasi-
teilchen, welches die quantisierten Schwankungen der Ladungsträgerdichte im Festkörper
5
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Abbildung 2.1.: Ein metallischer Nanopartikel im elektrischen Feld: Die Elektronen werden
relativ zum Ionen-Gitter des Partikels ausgelenkt. Die positive Ladung auf der
gegenüberliegenden Seite des Partikels wirkt als Rückstellkraft auf die durch
das Feld ausgelenkten Elektronen. Dies führt zu einer kohärenten resonanten
Oszillation des Elektronengases. Entnommen aus [68].
beschreibt. Das Plasmon ist für die Schwingungen der Leitungsbandelektronen das, was
das Photon für die elektromagnetische Welle darstellt [67].
Betrachtung der elektronischen Eigenschaften metallischer Nanopartikel im
Rahmen der quasistatischen Annäherung
Im Folgenden soll die Resonanzfrequenz des Plasmons für metallische Partikel mit Durch-
messern kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts hergeleitet werden. Hierfür
genügt eine klassische Betrachtung des Systems.
Die Resonanzfrequenz des Plasmons, oder Plasmonenresonanzfrequenz, ist die Fre-
quenz, bei der die Polarisierbarkeit des Partikels maximal wird [69]. Die Leitungsband-
elektronen, bzw. das Partikelplasmon, oszillieren dann resonant mit der Frequenz des
einfallenden Feldes.
Der Sachverhalt ist in Abbildung 2.2 skizziert: Ein Partikel bendet sich mit seinem Mit-
telpunkt am Ursprung eines homogenen elektrostatischen Feldes E~0. Die Feldlinien sind
parallel zur z-Achse ausgerichtet. Die Kugel mit der frequenzabhängigen materialspezi-
schen dielektrischen Funktion (!) (mit ! = Kreisfrequenz) ist von einem Medium mit der
Dielektrizitätskonstante m umgeben. Das einfallende Feld kann über das Partikelvolumen
als konstant betrachtet werden, sodass zunächst eine elektrostatische Betrachtung zur
Lösung des Problems genügt. Eine sehr ausführliche Diskussion und Herleitung gibt [69].
Um die Wechselwirkung des Partikels mit dem elektromagnetischen Feld zu beschrei-
ben, ist zunächst die Kenntnis der dielektrischen Funktion des Materials erforderlich. Diese
beschreibt die Durchlässigkeit des Materials für elektromagnetische Felder und wird ty-
pischerweise experimentell bestimmt1. Die dielektrische Funktion setzt sich aus einem
1Für Gold werden häug die Daten von Johnson und Christy verwendet [70].
6
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.2.: Eine homogene Kugel mit dem Radius a in einem elektrostatischen Feld mit
dem Feldvektor E~0 und der dielektrischen Funktion (!). Die Kugel ist von
einem Medium mit der Dielektrizitätskonstante m umgeben. Skizze nach
[69].
Realteil und einem Imaginärteil zusammen und ist frequenzabhängig:
(!) = 1(!) + i 2(!) (2.1)
Der Realteil 1 der dielektrischen Funktion beschreibt die Polarisierbarkeit des Materials
durch das einfallende Feld. Der Imaginärteil i 2 beschreibt die Absorption des einfallenden
elektromagnetischen Feldes durch das Material. Für weiterführende theoretische Betrach-
tungen der dielektrischen Funktion von Metallen wird an dieser Stelle auf [71] verwiesen.
Im Folgenden wird der Übersichtlichkeit halber zunächst eine komplexe Dielektrizitätszahl
 an Stelle der frequenzabhängigen Dielektrizitätsfunktion angenommen.
Durch das angelegte äuÿere Feld E~0 wird in der metallischen Kugel durch die zur Os-
zillation angeregten Leitungsbandelektronen ein Dipolmoment p~ induziert. Dieses ist pro-
portional zum einfallenden Feld [69]:
3   mp~ = 4  ~0 ma E0. (2.2)
+ 2m
Dabei sind 0 die elektrische Feldkonstante und a der Partikelradius.
Mit p~ = 0mE~0 ergibt sich für die Polarisierbarkeit  [69]:
3   m = 4a . (2.3)
+ 2m
Wird die Polarisierbarkeit in Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Feldes
aufgetragen, wird ersichtlich, dass diese bei einer bestimmten Frequenz ein Maximum
besitzt. Aus Gleichung 2.3 wird klar, dass dies im Falle eines Minimums für j+ 2mj
passiert. Die Polarisierbarkeit des Partikels erfährt dann eine resonante Verstärkung. Ist der
Imaginärteil von (!) sehr klein oder ändert sich nur wenig, vereinfacht sich die Bedingung
für die maximale Polarisierbarkeit zu:
Re[(!)] =  2m. (2.4)
Diese Gleichung wird auch als Fröhlich-Bedingung bezeichnet [69]. Es wird deutlich, dass
7
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
die Frequenz der resonanten Polarisierbarkeit eines metallischen Partikels sehr stark von
der dielektrischen Umgebung des Partikels m abhängt. Die Resonanzfrequenz liegt für
Goldnanopartikel im Bereich des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums und begrün-
det deren Einsatz als Sensoren [34], da sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des
umgebenden Mediums ändert.
Die Resonanz von  führt auch zu einer Verstärkung der internen und externen elektri-
schen Felder. Dies sind die eingangs erwähnten Feldverstärkungen, auf welchen die viel-
fältigen Anwendungsmöglichkeiten von Goldnanopartikeln für die Fluoreszenzverstärkung
oder die Verstärkung von Raman-Streuung beruhen.
Aus den Feldgleichungen für das magnetische und das elektrische Nahfeld2, das inter-
mediäre Feld und das Fernfeld3 für oszillierende elektrische Dipole im Rahmen der quasi-
statischen Näherung (die Felder sind zeitlich veränderlich, räumliche Änderungen können
auf Grund der kleinen Partikelgröÿen vernachlässigt werden) können dann zusammen mit
dem Ergebnis der elektrostatischen Annäherung für  aus Gleichung 2.3 die Absorptions-
und Streuquerschnitte (Cabs und Csca) eines Partikels mit dem Radius a bestimmt werden
[69]: ∣
4 ∣∣ ∣∣∣2k 2 8 4 6   mCsca = jj = k a (2.5a)
6 3 ∣[+ 2 ∣m ]
  m
Cabs = k Im[] = 4ka
3 Im , (2.5b)
+ 2m
mit k = 2=, wobei  die Wellenlänge ist. Der Extinktionssquerschnitt Cext ergibt sich
aus der Summe von Csca und Cabs :
Cext = Csca + Cabs . (2.6)
Die resonant verstärkte Polarisierbarkeit führt also auch zu einer Verstärkung der Ab-
sorption und Streuung des Lichts durch den Partikel. Der Streuquerschnitt skaliert mit
a6, der Absorptionsquerschnitt mit a3. Für sehr kleine Partikel mit a   dominiert der
Absorptionsquerschnitt gegenüber dem Streuquerschnitt, für groÿe Partikel dominiert der
Streuquerschnitt.
Die Abhängigkeit der Polarisierbarkeit von der Partikelform kann ebenfalls im Rahmen
der quasi-statischen Annäherung der Herleitung von  gezeigt werden, in dem  in ellip-
soidalen Koordinaten bestimmt wird [69].
Aus der verhältnismäÿig simplen Analyse der Wechselwirkungen eines Partikels mit dem
elektromagnetischen Feld im Rahmen der quasi-statischen Annäherung, welche lediglich
voraussetzt, dass es sich bei dem Partikel um einen metallischen Partikel handelte, folgen
2Das Nahfeld meint die sehr nahe Umgebung des Partikels. Der Abstand ist viel kleiner als die Wellenlänge
des einfallenden Feldes.
3Das Fernfeld meint Abstände gröÿer als die Wellenlänge des einfallenden Feldes.
8
2. Theoretische Grundlagen
bereits drei fundamentale Abhängigkeiten der Partikelplasmonenresonanz [65]:
 von der dielektrischen Funktion des umgebenden Mediums,
 von der dielektrischen Funktion des Metalls und
 von der Partikelform.
Grenzen der quasistatischen Annäherung
In der quasistatischen Näherung wird der Partikel als Punkt-Dipol betrachtet, welcher
resonant zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder absorbiert und streut. Streng
genommen ist diese Annäherung nur für verschwindend kleine Partikelgröÿen zulässig,
nichtsdestotrotz beschreiben die aus der quasi-statischen Näherung erhaltenen Ergebnis-
se das Verhalten von Partikeln bis zu einem Durchmesser von 100 nm relativ gut [69].
Für gröÿere Partikel haben Retardierungseekte und höhere Moden der elektromagne-
tischen Felder einen zunehmenden Einuss auf das optische Verhalten von metallischen
Nanopartikeln.
Um die unterschiedlichen Farben kolloidaler Goldlösungen unterschiedlicher Partikelgrö-
ÿe zu erklären, entwickelte Gustav Mie 1908 eine komplette Theorie zur Streuung und
Absorption von elektromagnetischer Strahlung an sphärischen Partikeln [72]. Mie löste
dazu die Maxwell-Gleichungen in sphärischen Koordinaten für eine ebene elektromagneti-
sche Welle, welche mit einem einzelnen sphärischen Partikel wechselwirkt. Für eine genaue
Herleitung und Diskussion der Theorie sei an dieser Stelle auf [71, 73] verwiesen. Für
kleine Partikel trägt nur die Dipolmode signikant zum Extinktionsquerschnitt bei, wo-
durch die Mie-Theorie auf das Ergebnis der quasi-statischen Annäherung aus Gleichung
2.5 reduziert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Partikelgröÿe, ab der auch höhere
Moden berücksichtigt werden müssen, in der Literatur nicht einheitlich angegeben wird
(100 nm in [69], 150 nm in [74], 20 nm in [75]). Für gröÿere Partikel verläuft die kollek-
tive Oszillation der Elektronen auf beiden Seiten des Partikels phasenverschoben, da die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der einfallenden elektromagnetischen Welle nicht unendlich
hoch ist. Auÿerdem muss die Dämpfung des Feldes innerhalb des Partikels berücksichtigt
werden, da dessen Eindringtiefe in das Material begrenzt ist. Dadurch kommt es zu einer
Verringerung des Energieübertrags des einfallenden Feldes auf die Elektronen. Insgesamt
führen die genannten Eekte zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz zu niedrigeren
Energien und einer Verbreiterung der Linienbreite der Plasmonenresonanz [69].
Zur Verdeutlichung der Eekte sind in Abbildung 2.3 exemplarisch die Feldverstärkun-
gen im Nahfeld von Partikeln mit unterschiedlichen Gröÿen für Dipol-, Quadrupol- und
Octupolmode gezeigt. Die Ausbreitung der Dipolfelder in den Abbildungen 2.3B bis E
verändert sich in Abhängigkeit von der Partikelgröÿe deutlich. Der steigende Einuss der
Quadrupolmode ist in den Abbildungen 2.3F und G zu erkennen, auch deren Feldverteilung
9
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Abbildung 2.3.: Mittels Mie-Theorie berechnete Feldverstärkungen im Nahfeld sphärischer
Partikel, welche einem sich in x-Richtung ausbreitendem elektrischen Feld
mit einem in y-Richtung gerichteten Wellenvektor wechselwirken. B-E:
Dipolmoden für Partikel mit unterschiedlich groÿen Durchmessern. F-G:
Quadrupol-Moden für Partikel mit groÿen Durchmessern H: Octupolmode.
k inc Wellenvektor des einfallenden Feldes, E inc Feldvektor des einfallenden
Feldes und R der Partikelradius. Entnommen aus [74].
ändert sich mit steigendem Partikeldurchmesser. Für sehr groÿe Partikel mit einem Durch-
messer von 300 nm ist auch die Feldstärke der Oktupolmode (Abbildung 2.3H) signikant
[74].
2.1.2. "Hot Spots": Kopplung der Partikelplasmonen zweier benachbarter
Goldnanopartikel
In Kapitel 2.1.1 wurde gezeigt, dass die Polarisierbarkeit, und damit einhergehend die
Extinktion eines metallischen Nanopartikels bei einer bestimmten Frequenz resonant ver-
stärkt wird. Bei gröÿeren Partikeln überwiegt der Streuanteil, während bei kleineren die
Absorption einen gröÿeren Anteil an der Gesamtextinktion hat. Die Resonanzfrequenz ei-
nes einzelnen Partikels ändert sich in Abhängigkeit seiner Gröÿe, Form und Umgebung.
Für eine einzelne sphärische Kugel können die Streu- und Absorptionsspektren analytisch
mit Hilfe der Mie-Theorie bestimmt werden.
Benden sich nun metallische Nanopartikel in enger Nachbarschaft zueinander, wech-
selwirken die elektrischen Nahfelder der Partikel. Das elektrische Feld E~ , dass jeder der
beiden Partikel spürt, ist die Summe aus einfallendem Feld E~0 und dem Nahfeld E~NF des
benachbarten Partikels [16]:
E~ = E~0 + E~NF (2.7)
Das Resultat dieser elektromagnetischen Kopplung ist im Falle von GNPs eine Verschie-
bung der Resonanzfrequenz in den niederenergetischeren Bereich. Diese Verschiebung ist
auf Grund der im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegenden Reso-
nanzfrequenz mit bloÿem Auge erkennbar, wie auf dem Foto in Abbildung 2.4a zu sehen
ist. Hier wurden citrat-stabilisierte GNP mit Natriumphosphatpuer versetzt. Die erhöhte
10
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.4.: a) Foto von Lösungen mit citrat-stabilisierten Goldnanopartikeln, links ohne
und rechts mit Natriumphosphatpuer b) Extinktionsspektren von citrat-
stabilisierten Goldnanopartikeln (GNPs) und Streptavidin verbrückten Gold-
nanopartikeln
Salzfracht führt zu einer Reduzierung der elektrostatischen Abstoÿung der Partikel [76].
Infolgedessen aggregieren die Partikel und die Lösung färbt sich von rot nach lila. Die
GNPs können aber auch durch Verbrückung mit beispielsweise Proteinen zur Aggregation
gebracht werden. Ein Beispiel ist in Abbildung 2.4b gezeigt: Die GNPs wurden hier mit
dem Protein Streptavidin verknüpft, wodurch sich das Extinktionsmaximum auf Grund der
Wechselwirkung der Partikelplasmonen gegenüber dem Spektrum der Monomerpartikel in
den längerwelligen Bereich verschiebt. Das Ausmaÿ der Verschiebung ist dabei abhängig
von der Aggregatgröÿe [77, 78]: Je gröÿer die Aggregate sind, desto stärker ist die Ver-
schiebung im Spektrum sichtbar, bzw. verfärbt sich die kolloidale Lösungen von rot über
violett nach blau. Diese mit dem Auge verfolgbare Farbänderung begründet abermals den
Einsatz von Goldnanopartikeln als Sensoren [29].
Im Folgenden sollen nun die photophysikalischen Eigenschaften des einfachsten GNP-
Aggregats, eines aus zwei sphärischen Partikeln bestehenden GNP-Dimers, diskutiert wer-
den. Die beschriebene Verschiebung der Plasmonenresonanz von GNPs ist nicht nur von
der Aggregatgröÿe, sondern auch empndlich vom Abstand der Partikeloberächen ab-
hängig. Dies ermöglicht den Einsatz von GNP-Dimeren als sogenannte Plasmon-Ruler : Je
kürzer der Abstand zwischen beiden Partikeln ist, desto gröÿer ist die Verschiebung des
Plasmonenresonanzmaximums in den niederenergetischeren Bereich [79]. Die Abstands-
abhängigkeit ermöglicht beispielsweise die Detektion von Konformationsänderungen von
Proteinen, welche beispielsweise durch die Bindung an Moleküle hervorgerufen werden
können [80]. Auÿerdem gestattet diese Abstandsabhängigkeit zusammen mit der Grö-
ÿenabhängigkeit der Resonanzfrequenz die Durchstimmbarkeit der Resonanzfrequenz von
GNP-Dimeren über einen relativ weiten Bereich im sichtbaren Spektrum.
Abgesehen von der Verschiebung der Resonanzfrequenz kommt es auch zu Feldver-
stärkungen im Zwischenraum beider Partikel, welche über die an einem einzelnen Partikel
11
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Abbildung 2.5.: Serie von rasterkraft- und uoreszenzmikroskopischen Aufnahmen a) nur
uoreszierende Polystyrol-Kugel, b) uoreszierende Polystyrol-Kugel mit ei-
nem mittels AFM-Spitze in der Nähe positioniertem GNP c) uoreszierende
Polystyrol-Kugel mit einem zweiten GNP, sodass sich diese im Zwischen-
raum beider GNPs bendet. Der Leuchtpunkt auf der jeweils rechten Seite
der Fluoreszenzbilder stammt von einer uoreszierenden Kugel, welche nicht
mit den GNPs manipuliert wird und als Referenz dient. Entnommen und mo-
diziert aus [38].
vorliegenden Feldverstärkungen hinausgehen. Die Bereiche zwischen zwei Partikeln werden
daher auch als Hot Spots bezeichnet.
Die Existenz dieser Hot-Spots kann beispielsweise an Hand der Fluoreszenzverstär-
kung von Fluorophoren nachgewiesen werden. Abbildung 2.5 zeigt eine Serie von ras-
terkraftmikrokopischen und uoreszenzmikroskopischen Aufnahmen einer uoreszierenden
Polystyrol-Kugel ohne, mit einem und mit zwei GNPs [38]. Die GNPs wurden mit Hilfe
des AFM-Cantilevers an der uoreszierenden Kugel positioniert. Die Fluoreszenzintensität
der Polystyrol-Kugel ist im Vergleich zur der Kugel ohne GNP um einen Faktor von 1,5
erhöht (Abbildung 2.5b). Wird ein zweiter GNP auf der gegenüberliegenden Seite bei der
Kugel positioniert, so steigt der Wert auf 2,7 (Abbildung 2.5c). Mit Hilfe polarisations-
aufgelöster Spektroskopie konnte in dem Experiment auÿerdem gezeigt werden, dass die
Fluoreszenz nur verstärkt wird, wenn das GNP-Dimer mit entlang dessen Verbindungs-
achse polarisiertem Licht angeregt wird, das verstärkte Feld zwischen beiden GNPs also
auch nur dann präsent ist. Eine nähere Diskussion bezüglich der Polarisationsabhängigkeit
von gekoppelten Partikelplasmonen ndet sich am Ende dieses Abschnitts.
12
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.6.: Schema zur Erklärung des Plasmonen-Hybridisierungsmodells. a) Das einfal-
lende Feld ist parallel zur Dimerlängsachse ausgerichtet, die bindende Mode
ist hell. Diese Mode heiÿt longitudinale Mode. b) Das einfallende Feld ist
senkrecht zur Dimerlängsachse ausgerichtet, die anti-bindende Mode ist hell.
Diese Mode heiÿt transversale Mode. Die beiden unterschiedlichen Farben
sollen die unterschiedlichen Ladungen verdeutlichen. Skizze nach [84].
Theoretische Betrachtung gekoppelter Partikelplasmonen
Die Feldverteilungen gekoppelter Partikelplasmonen können nicht mehr analytisch, sondern
nur noch numerisch bestimmt werden. Es gibt eine Reihe von numerischen Methoden zur
Berechnung der Feldverteilungen und Resonanzfrequenzen (zum Beispiel die Generalisierte
Multipartikel Mie-Theorie (GMM) [81], die Diskrete Dipol-Annäherung (DDA) [79] und die
Finite-Dierenzen-Methode im Zeitbereich FDTD, [82]), welche aber im Rahmen dieser
Arbeit nicht diskutiert werden sollen.
Eine anschauliche theoretische Beschreibung der Resonanzfrequenzen bzw. der Feld-
verteilungen an gekoppelten Partikelplasmonen liefert das "Plasmonen-Hybridisierungs-
modell", welches an die Molekülorbital-Theorie angelehnt ist [83]. Analog der Bildung der
Molekülorbitale aus den Atomorbitalen werden mittels Linearkombinationen der beteiligten
Partikelplasmonen bindende und anti-bindende Dimerplasmonen gebildet, deren Energien
auch abhängig vom Abstand der Partikeloberächen sind. Ein kürzerer Abstand führt zu
stärkeren Absenkung bzw. Anhebung der bindenden und anti-bindenden Moden. In Abb.
2.6 ist ein Schema zur Erläuterung gezeigt. Dabei ist l die Drehimpulsquantenzahl der
Partikelplasmonen und m deren magnetische Quantenzahl.
Die Partikelplasmonen bilden entweder attraktive oder repulsive Dimerplasmonen. Es
gibt zwei helle Moden: für m = 0 (Abbildung 2.6a) die aus der attraktiven Wechselwir-
kung der Partikelplasmonen resultierende Dimermode und die für m =  1 (Abbildung
2.6b) resultierende Dimermode bei repulsiver Wechselwirkung beider Partikelplasmonen.
Die erstgenannte kann nur mit entlang der Dimerverbindungsachse polarisiertem Licht
angeregt werden, die zweite nur mit senkrecht zur Dimerverbindungsachse polarisiertem
13
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Licht. Die mit parallel zur Dimerverbindungsachse polarisiertem Licht anregbare Dimermo-
de heiÿt deshalb auch longitudinale Mode. Sie ist energetisch gegenüber dem ungekoppel-
ten System abgesenkt. Die andere helle Mode heiÿt transversale Mode, sie ist gegenüber
den Partikelplasmonen zu höheren Energien verschoben. In den Extinktionsspektren von
Dimeren sind daher zwei Resonanzpeaks zu beobachten. Ein Peak ist zu kleineren Wel-
lenlängen verschoben (transversale Mode), einer zu gröÿeren Wellenlängen (longitudinale
Mode)[79].
Die Kopplung der beiden Quadrupolmoden der individuellen Partikelplasmonen, welche
bei groÿen Partikelgröÿen und kleinen Partikelabständen [83, 85] beobachtet werden kann,
ist nicht gezeigt. Eine genaue Herleitung zur Berechnung der Dimerplasmonenergien ndet
sich in [83].
Abschlieÿend soll nicht unerwähnt bleiben, dass alle an sphärischen Partikeln beschrie-
benen Eekte im Falle kantiger Partikel, wie Nanostäbchen oder Nanoprismen, deutlich
verstärkt auftreten. Daher eignen sich solche Partikel noch besser als Sensoren oder für
oberächenverstärkte Einzelmolekülramanmessungen (SMSERS, engl.: Single Molecule
Surface Enhanced Raman Spectroscopy) [86]. Gegenstand der aktuellen Forschung ist
deshalb auch die nasschemische Synthese solcher Strukturen [27, 28, 87].
Dämpfung des Plasmons
Das Partikelplasmon wird durch verschiedene Prozesse gedämpft. Dabei wird zwischen
dem strahlenden Zerfall, dem nicht-strahlenden Zerfall und der Dephasierung unterschie-
den [65]. Der strahlende Zerfall ist die Streuung des einfallenden Feldes durch das Parti-
kelplasmon. Die Energie der Strahlung stammt aus der Energie, welche durch das einfal-
lende Feld in das Plasmon hineingetragen wurde bzw. in ihm gespeichert ist. Zusätzlich
zu diesem strahlenden Zerfall kann das Plasmon auch nicht-strahlend zerfallen: Die In-
teraktion des Metalls (z. B. Gold) mit einem resonanten elektromagnetischen Feld führt
auch zur Bildung von Elektronen-Lochpaaren im Metall, die ihrerseits beispielsweise durch
Elektron-Elektron-Streuung oder Elektron-Phononstreuung zerfallen [65]. Beide Prozesse
sind in Abbildung 2.7 schematisch dargestellt. Die Dephasierung beschreibt die elastische
Streuung des elektromagnetischen Feldes durch die quantisierten Zustände des Partikel-
plasmons. Dieser Eekt ist aber im Vergleich zu den anderen Dämpfungsmechanismen
vernachlässigbar [65].
2.1.3. Wechselwirkungen eines Fluorophors mit dem plasmonischen
Nahfeld
Die verstärkten elektrischen Felder an metallischen Nanopartikelstrukturen beeinussen
die elektronischen und vibronischen Übergänge in Molekülen. Die wohl prominenteste An-
wendung ist die oberächen-verstärkte Raman-Spektroskopie, bei welcher Verstärkungs-
faktoren von bis zu 1014 abgeschätzt wurden [89]. In der vorliegenden Arbeit soll das
14
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.7.: Schematische Darstellung der Möglichen Dämpfungsmechanismen eines
Plasmons: Das Plasmon kann strahlend (links) oder nicht-strahlend in Form
von Intra- und Interbandübergängen zerfallen (rechts) zerfallen. Modiziert
aus [88].
Augenmerk auf der durch Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld möglichen
Fluoreszenzverstärkung von Fluorophoren liegen. Diese Wechselwirkungen werden im Fol-
genden erläutert.
Die auf ein Fluorophor wirkende Anregungsrate exc ist proportional zum Betragsqua-
drat des Produkts aus Feldstärke des einfallenden Feldes E~ und Übergangsdipolmoment
p~ des Fluorophors [90]:
exc / jp~  E~ j
2. (2.8)
Überlappt der Streuanteil der Extinktion des Partikelplasmons (vgl. Abschnitt 2.1.1) mit
dem Absorptionsspektrum des Fluorophors, so wird dieses zusätzlich durch das plasmoni-
sche Feld des Partikels E~P angeregt:
exc / jp~  (E~ + E~
2
P )j . (2.9)
Je gröÿer also die Feldstärke des elektrischen Feldes des Partikelplasmons an der Po-
sition des Fluorophors ist, desto höher ist auch exc . Zur erfolgreichen Verstärkung der
Anregungsrate müssen auch das Übergangsdipolmoment des Fluorophors und die Feldli-
nien des Plasmonenfeldes günstig zueinander orientiert sein [39].
Neben der Anregungsverstärkung kann das Plasmon auch die Fluoreszenzquantenaus-
beute QY eines Fluorophors beeinussen. QY gibt den Anteil der strahlenden Rate r zur
Summe aller Abklingraten eines Fluorophors an:
r
QY = . (2.10)
nr + r
Dabei ist nr die nicht-strahlende Rate.
Die Fluoreszenzemissionsrate em eines Fluorophors ist das Produkt aus exc und QY.
Mit Gleichung 2.10 ergibt sich:
r
em = exc  . (2.11)
nr + r
15
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Bendet sich das Fluorophor nun in der Nähe eines metallischen Nanopartikels, ändert
sich nr zu
nr = nr + EET , (2.12)
wobei EET die Energietransferrate vom Fluorophor auf den metallischen Partikel, also ei-
ne durch den Partikel hervorgerufene zusätzliche, nicht-strahlende Abklingrate, beschreibt,
welche bei Abständen <10 nm beobachtet wird [34]. Die Fluoreszenz wird dann durch den
Energietransfer auf das Plasmon gelöscht [40, 91, 92]. Diese Fluoreszenzlöschung ist
unabhängig von der Geometrie des Partikels, da die Partikeloberäche bei kleinen Abstän-
den gut als zweidimensionale Fläche angenähert werden kann [90]. Für groÿe Abstände
zwischen Fluorophor und Partikel ist EET  0 [90], und es können Verstärkungen der
strahlenden Übergangsraten des Fluorophors beobachtet werden [39, 42]. Das Plasmon
erhöht die lokale Dichte optischer Zustände () mit der Frequenz der elektronischen
Übergänge des Fluorophors  [34, 93], wodurch nach Fermis Goldener Regel die Rate der
spontanen Emission eines Moleküls steigen muss [66]:
 ~ 2r / jE  p~j (). (2.13)
Zusammengefasst verstärkt das plasmonische Feld die optischen Anregungsraten eines
Fluorophors (siehe Gleichung 2.9) und beeinusst dessen strahlende (durch die gröÿere
Zahl Dichte optischer Zustände) und nicht-strahlende Übergangsraten (durch Energie-
transfer) [34, 93]. Die Prozesse sind abhängig von der Resonanzfrequenz des metallischen
Partikels, der spektralen Lage von Fluoreszenz und Absorption des Fluorophors und dem
Abstand zwischen Partikel und Fluorophor sowie der relativen Orientierung des Übergangs-
dipolmoments des Fluorophors zu den Feldlinien des plasmonischen Feldes [39]. Sind alle
Parameter günstig aufeinander abgestimmt, kann das plamonische Feld die Fluoreszenz-
quantenausbeute eines Fluorophors erhöhen. Allgemein werden verkürzte Fluoreszenzle-
bensdauern beobachtet, welche zum einen auf die erhöhte strahlende Relaxationsrate des
Fluorophors an den Nanoantennen [39], zum anderen auf den Energietransfer [94] und die
jeweils damit einhergehenden beschleunigten Entvölkerungen des angeregten Zustands
zurückzuführen sind.
Anregungsverstärkung und die Verstärkung der strahlenden Übergangsraten können ex-
perimentell häug nicht unabhängig voneinander untersucht werden, da bei Überlappung
des Fluoreszenzspektrums mit der Plasmonenresonanz oft ebenfalls das Absorptionsspek-
trum des Fluorophors mit dieser überlappt [34]. Wird also das Fluorophor angeregt, kommt
es automatisch auch zu einer Anregung des Plasmons durch das Anregungslicht. Abbil-
dung 2.8 zeigt die abstandsabhängigen Eekte durch Überlappung der Absorption und der
Fluoreszenz mit dem Plasmon. Die Summe beider Eekte zeigt dann die kombinierte
Emissionsverstärkung, bei einem Abstand von etwa 15 nm sollte in dem gezeigten Beispiel
16
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.8.: Abstandsabhängigkeit der Anregungs- und Emissionsverstärkung eines
Fluorophors an einem Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 60 nm
bei einer Anregungswellenlänge von 650 nm [90]. Die Kombination beider
Kurven zeigt die tatsächlich theoretisch zu erwartende Emissionsverstärkung
(Emissionsrate in Anwesenheit des Plasmons im Vergleich zur Emissionsrate
in Abwesenheit des Plasmons). Entnommen aus [34].
die Helligkeit des Fluorophors also am gröÿten sein. Es soll darauf hingewiesen werden,
dass diese experimentell zu beobachtende kombinierte Emissionsverstärkung keine Fluo-
reszenzverstärkung im Sinne der reinen Erhöhung der Fluoreszenzquantenausbeute ist,
welche zu einer erhöhten Gesamtzahl emittierter Photonen im Vergleich zur Zahl emit-
tierter Photonen in Abwesenheit des Plasmons führt. In der Literatur wird häug in die
Fluoreszenzverstärkung auch die Anregungsverstärkung auf Grund erhöhten Feldstärke im
Nahfeld des Partikels in die angegebenen Verstärkungsfaktoren einbezogen [38, 95, 96].
Um die Positionierung des Fluorophors und die Ausrichtung des plasmonischen Fel-
des kontrollieren zu können, eignen sich Goldnanopartikeldimere mit dem Fluorophor im
Zwischenraum beider Partikel als plasmonische Nanoantennen hervorragend [39, 92]. Die
Position des Fluorophors ist dann immer nah an der Stelle maximaler Feldverstärkung und
die Anregungspolarisation kann bei Kenntnis der Dimerorientierung optimal eingestellt
werden, sodass ein plasmonisches Feld an der Position des Fluorophors erzeugt wird (vgl.
auch Abschnitt 2.1.2). Über die Wahl der Gröÿe und Form der Nanopartikel sowie den
Partikelabstand kann die energetische Lage des Plasmons auf das Fluorophor abgestimmt
werden.
Das Resultat sind verstärkte Übergangsraten der Fluorophore bei genau der Frequenz
des Plasmons, wie exemplarisch in Abbildung 2.9 dargestellt. In Abbildung 2.9a sind zwei
Goldnanopartikeldimere, bestehend aus zwei sphärischen Goldnanopartikeln mit einem
Durchmesser von 40 nm, mit unterschiedlichen Interpartikelabständen gezeigt. Ein kür-
zerer Abstand (Abbildung 2.9a unten) führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz
zu gröÿeren Wellenlängen, also kleineren Energien, entsprechend wird die Übergangsrate
des Fluorophors bei genau dieser Energie verstärkt. In Abbildung 2.9b sind Streuspektren
einzelner Dimere mit Interpartikelabständen zwischen 0,8 nm und 6,4 nm gezeigt. In Ab-
bildung 2.9c sind die Emissionspektren der Fluorophore (Cy3), welche an genau diesen
17
2.1. Plasmonische Goldnanopartikel
Abbildung 2.9.: a) Skizze zweier Goldnanopartikeldimere mit unterschiedlichen Interparti-
kelabständen. Der Durchmesser der Goldnanopartikel beträgt 40 nm. Auf
Grund der Erniedrigung der Resonanzfrequenz bei Verringerung des Abstan-
des (unten) werden im Vergleich zum oberen Fall die Übergangsraten des
niederenergetischeren Übergangs erhöht. b) Streuspektren von Goldnano-
partikeldimeren mit unterschiedlichen Interpartikelabständen c) Fluoreszenz-
spektren von Cy3, welche im plasmonischen Hot Spot im Zwischenraum
der GNP-Dimere aus b) positioniert sind. [97].
Dimeren gemessen wurden, dargestellt. Da die Übergänge der Energien der Plasmonen-
resonanz verstärkt werden, ändern sich die Fluoreszenzemissionspektren korrespondierend
zu der in Abbildungsteil (b) gezeigten Plasmonenresonanz.
18
2. Theoretische Grundlagen
2.2. Halbleiternanokristalle
In den letzten zwei Dekaden sind eine Vielzahl an Übersichtsartikeln zur Synthese und
Formkontrolle [24, 98101], Oberächenchemie [24, 102], optoelektronischen Eigenschaf-
ten [101, 103] und Energie- und Ladungstransfer [46, 104106] in Halbleiternanokristall-
basierten Systemen erschienen, sodass hier nur eine kurze Übersicht über die grundle-
genden Eigenschaften von Halbleiternanokristallen und den Ladungs- und Energietransfer
mit Halbleiternanokristallen gegeben werden soll. Dabei wird hauptsächlich auf die im
experimentellen Teil der Arbeit eingesetzten Cadmiumselenid-basierte Nanokristalle ein-
gegangen.
2.2.1. Grundlegendes zu den physikalischen Eigenschaften von
Halbleiternanokristallen
Halbleiternanokristalle bestehen aus etwa 100 bis 1000 Atomen und sind nur wenige Nano-
meter groÿ. Sie sind typischerweise von einer organischen Ligandenhülle umgeben, welche
die Löslichkeit der Kristalle vermittelt und die Kristalloberäche passiviert [107]. Obwohl
Nanokristalle die gleiche Einheitszelle und die gleichen Bindungslängen wie der korre-
spondierende Makrokristall aufweisen, zeigen sie andere elektronische Spektren, welche
wiederum abhängig von der Gröÿe des Kristalls sind [108].
Die im makrokristallinen Halbleiter vorhandene Bandlücke beschreibt die Energie, die
notwendig ist, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Kommen
sich beide Ladungsträger im Kristall räumlich näher, können sie ein gebundenes Elektron-
Loch-Paar (Exziton) bilden [19]. Dessen Wellenfunktion ist im Falle des makrokristallinen
Halbleiters auf Grund der geringen Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch
über einen weiten Bereich delokalisiert [19]. Unterschreitet die Kristallgröÿe in allen drei
Raumrichtungen den Bohr-Radius des Exzitons, welcher beispielsweise im Falle von CdSe
bei etwa 5 nm liegt [109], ist die Wellenfunktion des Exzitons auf diese Kristallgröÿe
begrenzt. Im Modell des Teilchens im Kasten können die Kristallkanten als unendlich
hohe Potentialbarrieren für die Wellenfunktion des Exzitons angesehen werden. Je kleiner
die Kristallgröÿe (also geringer der Abstand der Kanten des Kastens voneinander) wird,
desto höher die Energie des Exzitons, damit dessen Wellenfunktion den Voraussetzungen
des Modells genügt und an den Potentialbarrieren den Wert null annimmt. Es ist dann
nicht mehr die Stärke der Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch, wel-
che die räumliche Ausdehnung des Exzitons deniert, sondern die Gröÿe des Kristalls.
Dieser Eekt führt zur Gröÿenabhängigkeit der Emissions- und Absorptionsspektren von
Halbleiternanokristallen und wird auch als Gröÿenquantisierungseekt bezeichnet [24]. Ei-
ne weitere Folge der räumlichen Einschränkung der Exzitonenwellenfunktion durch die
geringe Kristallgröÿe ist die Diskretisierung der Energieniveaus an den Bandkanten. Halb-
leiternanokristalle werden daher auch als Quantum Dots (QDs) bezeichnet.
19
2.2. Halbleiternanokristalle
Abbildung 2.10.: Skizze zur Erläuterung der Vergröÿerung der Bandlücke beim Übergang
vom makrokristallinen (links) zum nanokristallinen Halbleiter (rechts). Der
Nanokristall weist diskrete atomartige Energiezustände sowie eine gröÿere
Bandlücke als der Makrokristall auf. Für das Modell wurde angenommen,
dass es sich um einen Halbleiter mit einem einzelnen parabolischem Lei-
tungsband und einem einzelnen parabolischen Valenzband handelt. Skizze
nach [103]
Nach [13] kann im Rahmen des eektiven Massenansatzes der Zusammenhang zwischen
Kristallgröÿe und der Energie des ersten angeregten elektronischen Zustands folgenderma-
ÿen angenähert werden, wenn die Gitterkonstanten und Bindungslängen im Nanokristall
gleich der des Makrokrista[lls sind: ]
h22 1 1 1, 8e2
E  Egap + +   = Egap + Elok + ECoulomb (2.14)
2r2 me mh r
mit dem Nanokristallradius r , der Dielektrizitätskonstante des Halbleitmaterials , der
Elementarladung e und den eektiven Massen von Elektron me und Loch mh. Egap ist
die Energie der Bandlücke des makrokristallinen Halbleiters. Die Energie des niederener-
getischsten Übergangs vergröÿert sich im nanokristallinen System um den Beitrag der
Lokalisierungsenergien von Elektron und Loch (Elok) sowie (geringfügiger) um den Bei-
trag der Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch (ECoulomb). Die Lokali-
sierungsenergien skalieren mit r 2, die Coulomb-Term mit r 1.
Unter Vernachlässigung von Bandmischungseekten erzeugt jedes Band aus dem Bulk
eine unabhängige Serie von quantisierten Zuständen, wie in Abbildung 2.10 skizziert ist.
Die Bezeichnung der quantisierten Zustände erfolgt dabei mit zwei Quantenzahlen: L
bestimmt den Drehimpuls einer einhüllenden Wellenfunktion und wird analog zum elek-
tronischen Bahndrehimpuls als Buchstabe angegeben (S für L = 0, P für L = 1 usw.).
n ist der Zustand der Zustandsserie einer bestimmten Symmetrie. Die drei niedrigsten
Energiezustände, wie in Abbildung 2.11 gezeigt, sind 1S, 1P und 1D [103].
Da das Valenzband in vielen Halbleitern eine komplexe Multibandstruktur aufweist, muss
zur Erklärung der Valenzband-Struktur eines Halbleiternanokristalls die aus dem Conne-
ment resultierende Mischung der Valenzbandzustände berücksichtigt werden. Es ergibt
20
2. Theoretische Grundlagen
Abbildung 2.11.: a) Valenzband- und Leitungsbandstruktur eines QDs b) exemplarisches Ab-
sorptionsspektrum einer CdSe-QD-Lösung. Die exzitonischen Übergänge
aus a) sind den einzelnen Banden im Spektrum zugeordnet. Entnommen
und modiziert aus [103]
sich die in Abbildung 2.11a gezeigte energetische Struktur des Valenzbandes [103]. Die
einzelnen Lochzustände werden nach der Formel nLF benannt, wobei F der Gesamtbahn-
drehimpuls ist, welcher sich aus der Summe der Bloch-Funktion des Bahndrehimpulses J
und dem Bahndrehimpuls L der Einhüllenden der Lochwellenfunktion ergibt [103, 110]. Es
ist möglich, wie in dem exemplarisch in Abbildung 2.11b gezeigten Absorptionsspektrum
von CdSe-QDs, die einzelnen Übergänge aus Abbildung 2.11a den einzelnen Banden im
Spektrum zuzuordnen. Der niederengetischste Übergang resultiert entsprechend aus dem
1S(e)-1S3=2(h)-Übergang, welcher auch Bandkantenübergang genannt wird. Aus diesem
können die Gröÿe der QDs, und über den Extinktionskoezient, welcher aus dem Durch-
messer bestimmt werden kann, die Konzentration einer QD-Lösung abgeschätzt werden
[111].
Dieses Bandkantenexziton weist eine Feinstruktur auf, welche die Emissionseigenschaf-
ten von Halbleiternanokristallen erklärt. Für eine genauere Beschreibung und Herleitung
sowie die experimentelle Untersuchung dieser sei an dieser Stelle auf die Dissertation
von Anne Boos verwiesen [110]. Die Fluoreszenzemissionspektren von QDs sind schmal-
bandig. Da für jede spezische Form und Gröÿe der Kristalle innerhalb einer Ensemble-
probe auf Grund der Gröÿenabhängigkeit der elektronischen Struktur ein Übergang mit
einer bestimmten Energie vorhanden ist, gibt die Breite des Fluoreszenzpeaks beispiels-
weise Aufschluss über die Homogenität einer Probe. Abbildung 2.12 zeigt exemplarisch
Fluoreszenzemissionsspektren von CdSe-QDs unterschiedlicher Gröÿe.
2.2.2. Synthese von Halbleiternanokristallen
Die elektronischen Eigenschaften von Halbleiternanokristallen korrelieren mit ihrer Kris-
tallgröÿe und -form. Entsprechend wichtig ist es, das Kristallwachstum möglichst gut kon-
21
2.2. Halbleiternanokristalle
Abbildung 2.12.: Fluoreszenzspektren von CdSe-QDs unterschiedlicher Gröÿe. Die Gröÿe
wurde durch unterschiedliche Reaktionsdauern geändert, die Reaktionszei-
ten sind in der Legende angegeben.
trollieren zu können. Der Durchbruch in der kolloidalen Synthese von QDs gelang 1993
in der Arbeitsgruppe von Moungi Bawendi [55]. Durch die Zugabe von metallorganischen
Vorgängerstufen in das heiÿe organische stabilisierende Lösungsmittel Trioctylphosphin-
oxid gelang eine homogene Kristallkeimerzeugung, welche durch das gleichzeitige abrupte
Abkühlen der Reaktionslösung durch die Zugabe der Vorgängerstufen Dimethylcadmium
und Trioctylphosphinselen, welche Raumtemperatur besaÿen, sofort abgebrochen wurde.
Das anschlieÿende bei niedrigerer Temperatur erfolgende Kristallwachstum wurde so zeit-
lich von der Kristallkeimbildung getrennt und es wurden homogene Nanokristalle erhalten.
Die Gröÿe der Partikel kann über die Einspritztemperatur, die Wachstumstemperatur so-
wie die Wachstumsdauer gesteuert werden. Das Lösungsmittel dient dabei gleichzeitig als
Oberächenstabilisator, um die Aggregierung der Kristalle zu verhindern. Durch die Varia-
tion der Mononomerkonzentration und der Art, dem Verhältnis und der Konzentration der
Liganden gelang es in der Folge, CdSe-Nanokristalle mit einer Vielzahl unterschiedlicher
Morphologien, wie Stäbchen [112, 113], Pfeile, Tränen und Tetrapoden [114] und sogar
Ringe [115] darzustellen.
Die Arbeiten der Arbeitsgruppe von Xiaogang Peng zeigten, dass sich das als Vorstu-
fe eingesetzte an Luft selbst entzündende Dimethylcadmium durch Cadmiumoxid [25],
Cadmiumacetat [12] oder Cadmiumcarbonat [12] ersetzt werden kann. Der Einsatz von
Stearinsäure als Ligand erlaubt die Synthese von CdSe-Nanokistallen mit Durchmessern
von bis zu 25 nm [12, 25]. Durch geeignete Wahl der Liganden kann auÿerdem das Kris-
tallgitter von Cadmiumselenid-QDs zwischen Wurzit-Struktur und Zinkblende-Struktur
variiert werden [116].
22
2. Theoretische Grundlagen
2.2.3. Oberächenchemie von Halbleiternanokristallen
Die Oberächenchemie spielt auf Grund des groÿen Oberäche-zu-Volumen Verhältnisses
von QDs eine wichtige Rolle für deren photophysikalische und chemische Eigenschaften.
Die Periodizität des Kristallgitters ist unterbrochen, die Oberächenionen/-atome sind
unterkoordiniert und der Kristallkern wechselwirkt mit chemisorbierten und/oder physisor-
bierten Molekülen der Ligandenhülle und des Lösungsmittels [117]. Die Liganden können
die Löslichkeit der QDs in organischen und wässrigen Lösungsmitteln beeinussen und
müssen die Aggregierung der Partikel verhindern, also ausreichend stabil an die Oberä-
che binden.
Mehrzähnige Liganden binden an und passivieren die QDs auf Grund ihres chelatisieren-
den Eekts besser, als ein- oder zweizähnige [118120], eine höhere Kettenlänge stabili-
siert besser als kürzere [121]. Die Bindungsstärke von Liganden variiert mit der funktio-
nellen Gruppe, welche die Bindung an den QD vermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass
Hexadecylamin mit Hexanthiol deutlich schneller ausgetauscht wird, als Trioctylphosphin
oder Trioctylphosphinoxid [122]. Entsprechend ist die Bindungsstärke von Thiolen an die
QD-Oberäche höher, als die von Phosphinen und Phosphinoxiden, Amine binden eher
schwach an die Kristalloberäche.
Die Arbeitsgruppe um Emily Weiss konnte nachweisen, dass Hexadecylamin bereits nach
einem Aufreinigungschritt4 der QD-Lösung vollständig von der Kristalloberäche entfernt
wurde, während die als Verunreinigung im typischerweise für die Synthese eingesetztem
Trioctylphosphinoxid vorhandene Octylphosphonsäure nach vier Ausfällungsschritten et-
wa 80% der Nanokristalloberäche bedeckte [124]. Die starke Bindung der Octylphos-
phonsäure wurde auf die bereits oben angesprochene mehrzähnige Bindung an die QDs
zurückgeführt [124].
Die auf der Kristalloberäche bendlichen Moleküle beeinussen nicht nur die kolloidale
Stabilität der QDs, sondern auch die elektronische Struktur der Halbleiternanokristal-
le: Zunächst führt die fehlende Koordinierung der an der Oberäche bendlichen Ionen
und die Gitterdefekte der QDs zur Existenz zusätzlicher Energieniveaus, welche die Re-
kombinationsprozesse der Elektronen und Löcher beeinussen können. Diese sogenannten
Fallenzustände können von geeigneten Liganden passiviert werden, was die Rate der strah-
lenden Rekombinationsprozesse erhöht, es können aber auch zusätzliche Zustände durch
die Liganden geschaen werden. Eine ausführliche Diskussion und Übersicht dieser Eekte
ndet sich in [117]. Exemplarisch sind in Abbildung 2.13 die unterschiedlichen Einüsse
von Benzochinon und Oktanthiol auf die elektronischen Übergänge von CdSe-QDs skiz-
ziert. Oktanthiol liegt an der QD-Oberäche als Thiolat vor, und besitzt am Schwefelatom
drei freie Elektronenpaare, von denen eines Elektronendichte zum Metallkation zur Ver-
4Die Aufreinigung der QDs nach Synthese meint das Ausfällen der Kristalle aus einem unpolaren Lö-
sungsmittel wie Toluol mit einem polaren Lösungmittel wie beispielsweise Methanol. Die überschüssigen
Liganden lösen sich in dem Lösungmittelgemisch, die QDs nicht. Nach der Zentrifugation kann der
Überstand entfernt und das Pellet mit den QDs wieder gelöst werden [123].
23
2.2. Halbleiternanokristalle
fügung stellen kann, während die anderen beiden gegebenenfalls als Lochfallenzustände
agieren können [117]. Das im Valenzband bendliche Loch rekombiniert dann nicht mehr
strahlend mit dem Elektron, die Fluoreszenzquantenausbeute ist verringert. Benzochinon
hingegen agiert als Elektronenfalle für photoangeregte CdSe-QDs [125].
Abbildung 2.13.: Schematische Anordnung der Energielevel eines QDs. Nach Anregung mit
Photonen ausreichender Energie benden sich das Elektron im Leitungs-
band und das Loch im Valenzband. In rot sind die intrinsischen Fallen-
zustände, welche energetisch in der Bandlücke liegen, dargestellt. Sowohl
Elektron als auch Loch können auf die Fallenzustände übergehen, sodass
eine strahlende Rekombination beider Ladungsträger verhindert wird. Zu
der gezeigten Situation kommen nun die Einüsse der Oberächenliganden
hinzu. Benzochinon (BQ) agiert als zusätzliche Elektronenfalle, Oktanthiol
(OT) liefert auf Grund seiner freien Elektronenpaare zusätzliche Zustände
für die Löcher. CB ist das Leitungsband, VB das Valenzband. Entnommen
aus [117]
Alkylamine passivieren eektiv Elektronenfallenzustände, da sie die ungesättigten Bin-
dungsstellen der Cd2+-Ionen sättigen. Durch (partiellen) Austausch der nach der Synthese
als Liganden vorhandenen Phosphine an CdSe-QDs durch Amine steigt die Fluoreszenz-
quantenausbeute beispielsweise von etwa 10% bis 20% auf bis zu 50% [126]. Das Entfer-
nen von Aminen durch Ausfällen der QDs aus der Reaktionslösung führt hingegen zu einer
Reduzierung der Fluoreszenzintensitäten [124]. Die beschriebenen Eekte sind auch von
den relativen energetischen Lagen der HOMO (höchstes besetztes Molekülorbital) und
LUMO (niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) Energien der Liganden und der Bandkan-
ten der QDs zueinander abhängig [127].
Liganden beeinussen nicht nur Interbandprozesse, sondern auch Intrabandprozesse, wie
beispielsweise Auger-Rekombinationsraten und Energietransfers zur Schwingungsanregung
der Liganden und Phononen des Kristallgitters. Weiterführend sei hier auf [117] verwiesen.
24
2. Theoretische Grundlagen
Liganden können mit geringem synthetischen Aufwand gegeneinander ausgetauscht
werden, in dem die Nanokristalllösungen in einem Überschuss des gewünschten Ligan-
den gerührt oder erhitzt werden. Die Änderung der Oberächenliganden bietet somit eine
einfache Möglichkeit, sowohl die Löslichkeit, als auch die photophysikalischen Eigenschaf-
ten von QDs gezielt zu manipulieren, um sie für die gewünschte Anwendung anzupassen.
Weiterhin können Liganden auch als zusätzliche Verbindungsstellen für die weitere Anbin-
dung von funktionalen Einheiten dienen, beispielsweise für Biomoleküle [118, 128, 129]
oder zum Aufbau von QD-Netzwerken [129131].
2.2.4. Kern-Schale-Halbleiternanokristalle
Nicht nur durch die Änderung der Ligandenhülle können die photophysikalischen Eigen-
schaften von QDs beeinusst werden, sondern auch durch das Aufwachsen von weiteren
Halbleitermaterialien. Die synthetische Realisierung erfolgt typischerweise mit dem von
Peng und Mitarbeitern auf die QD-Synthese übertragene SILAR-Verfahren, mit welchem
gezielt Dicke und Zusammensetzung der Beschichtung eingestellt werden können [132].
Auch hierbei erönet sich durch die Wahl geeigneter Liganden und Ligandenzusammen-
setzungen in den Reaktionslösungen die Möglichkeit, verschiedene Kristallformen zu syn-
thetisieren [133].
Je nach Wahl des Kern- und Schalenmaterials können Partikel mit unterschiedlichen
Eigenschaften synthetisiert werden. Generell wird zwischen Typ I, dem inversen Typ I
und Typ II Kern-Schale-QDs unterschieden [107]. Die Bandkantenanordnungen sind in
Abbildung 2.14 schematisch dargestellt. Typ I QDs zeichnen sich dadurch aus, dass die
Bandlücke des Schalenmaterials deutlich gröÿer ist als die des Kernmaterials. Dies ist bei-
spielsweise in ZnS-beschichteten CdSe-QDs der Fall. Durch die deutlich höhere Bandlücke
des Schalenmaterials sind die Ladungsträger im Kern lokalisiert [56]. Nicht strahlende Re-
kombinationsprozesse an der Kristalloberäche, wie sie in Abschnitt 2.2.3 beschrieben
wurden, werden so vermindert und in Folge dessen die Fluoreszenzquantenausbeute er-
höht.
Durch den Einsatz eines Schalenmaterials, dessen Valenzbandkante oder Leitungsband-
kante in der Bandlücke des Kernmaterials liegt (Typ II), können Elektron oder Loch in
dem Schalenmaterial delokalisiert sein, was zu einer räumlichen Trennung der Ladungs-
träger führt. Das Resultat sind verlängerte Fluoreszenzlebensdauern im Vergleich zu Typ
I-Systemen. Durch Aufbringen einer zusätzlichen passivierenden Schicht auf Typ II-QDs
analog der Typ I-QDs können auch hier Übergänge in Oberächenfallenzustände reduziert
werden [134].
Für den Aufbau von Kern-Schale-QDs mit guten photophysikalischen Eigenschaften
ist eine gute Kristallinität der nalen QDs wichtig. Hierfür müssen auch die Gitterpara-
meter der Kern- und Schalenmaterialien zusammenpassen, um Kristalldefekte und/ oder
-versetzungen zu vermeiden, da diese ebenfalls Fallenzustände ausbilden und so zu nicht-
25
2.2. Halbleiternanokristalle
Abbildung 2.14.: Schema zur Erläuterung der verschiedenen Kern-Schale-Typen: Beim Typ I
hat das Schalenmaterial eine gröÿere Bandlücke als das Kernmaterial, wo-
durch der Übergang der Ladungsträger aus dem QD-Kern in die Umgebung
verringert wird. Im Falle des inversen Typ I ist die Bandlücke des Schalen-
materials kleiner als die des Kernmaterials, wodurch die Ladungsträger,
abhängig von der Dicke der Schale, komplett oder teilweise im Schalen-
material lokalisiert sind. Bei Typ II Kern-Schale-Systemen liegen entweder
Valenzband- oder Leitungsbandkante des Schalenmaterials in der Band-
lücke des Kern-Materials, wodurch entweder Löcher oder Elektronen in
das Schalenmaterial angeregt werden und aus diesem die Rekombination
der Ladungsträger erfolgt.
strahlenden Rekombinationsprozessen führen können [107]. Zur Vermeidung solcher Kris-
talldefekte können mit Hilfe der SILAR-Methode auch gemischte Monolagen zur besseren
Anpassung der Gitterkonstanten von Kern- und Schalenmaterialien auf die Kern-QDs auf-
getragen werden [123].
2.2.5. Energie- und Ladungstransfer mit Halbleiternanokristallen
Halbleiternanokristalle eignen sich auf Grund ihrer im Vergleich zu organischen Farbstof-
fen hohen Photostabilität, der einfachen Synthese und der in den vorherigen Abschnitten
erläuterten photophysikalischen Eigenschaften gut für Energie- und Ladungstransfer ba-
sierte Anwendungen, wie beispielsweise in der Photovoltaik [8, 135, 136] oder Sensorik
[137, 138].
Der folgende Abschnitt soll einen Überblick über Energie- und Ladungstransfer mit QDs
geben. Für die Grundlagen von Ladungs- und Energietransfer sei auf [139] verwiesen.
Energietransfer
Für viele QD-basierte Systeme wurde ein strahlungsloser Energietransfer nach dem Mo-
dell des Förster-Resonanz-Energietransfers (FRET) nachgewiesen. FRET beruht auf der
Dipol-Dipol-Wechselwirkung von Donor und Akzeptor, und weist eine Donor-Akzeptor-
Abstandabhängigkeit der Energietransferezienz (E) von s 6 auf [139]:
1
E = . (2.15)
1 + (s=R )60
26
2. Theoretische Grundlagen
Dabei ist s der Donor-Akzeptorabstand und R0 der Förster-Radius (Donor-Akzeptorabstand,
bei dem die Energietransferezienz 50% beträgt).
Die QDs fungieren meist als Energiedonoren für mehrere an ihrer Oberäche gebundene
Energieakzeptoren [140142]. Die Vorteile bei der Verwendung von QDs als Energiedono-
ren liegen in der Möglichkeit der selektiven Anregung der QDs auf Grund ihrer Absorption
in einem weiten Wellenlängenbereich, und der Einstellbarkeit ihrer Fluoreszenzwellenlän-
ge, sodass diese nicht mit der Akzeptoruoreszenz oder Akzeptorabsorption überlappt
[105]. Weiterhin können daraus resultierend das Überlappintegral zwischen Donor und
Akzeptor und über die Steuerung der Passivierungsschicht (beispielsweise dünne vs. dicke
ZnS-Schichten auf CdSe-QDs) auf den QDs der Donor-Akzeptor-Abstand variiert werden
[63]. Ferner bieten QDs die Möglichkeit der Bindung multipler Akzeptorsysteme auf ih-
rer Oberäche, wodurch ganze Energietransferkaskaden mit QDs als Energiesammler und
Assemblierungsplattform aufgebaut werden können [143].
Die E ist in solchen Systemen auch von der Zahl der Akzeptormoleküle a pro QD-Donor
abhängig, und Gleichung 2.15 wird zu [63, 105]:
a
E =
a + ( s
. (2.16)
6
R )0
Weitere Analysen zeigen, dass zur Beschreibung der Akzeptorkonzentrationsabhängigkeit
der E eine Poisson-Verteilung der Energieakzeptoren auf den QDs berücksichtigt werden
muss [141, 144, 145]. Die Energietransferezienz lässt sich unter Berücksichtigung einer
Poisson-Verteilung dann nach der Förster-Theorie mit
a∑max xae x a
E = (2.17)
a! a + ( s )6
a=0 R0
beschreiben, wobei x die mittlere Anzahl von Akzeptormolekülen pro QD ist [140, 146].
Rylendiimidfarbstoe sind geeignete Energieakzeptoren für QDs [147, 148]. Ein beson-
ders einfaches und vielseitiges System zur Untersuchung des Energietransfers zwischen
QDs und einem Perylendiimid (PDI) wurde von der Arbeitsgruppe Basché gefunden: Das
PDI-Derivat wurde mit zwei Carboxylat-Ankern in der Imidstruktur ausgestattet, wel-
che die direkte Bindung des Farbstoes an die Kristalloberäche der QDs ermöglichen
[62]. Über die Variation der ZnS-Schalendicke konnte eine dem Förster-Modell entspre-
chende Abstandsabhängigkeit der Energietransferezienz von s 6 ermittelt werden [63].
Die Untersuchung solcher Komplexe mit Hilfe transienter Absorptionsspektroskopie er-
möglichte die Bestimmung der Energietransferraten unabhängig von den komplexen QD-
Relaxationsdynamiken allein aus dem Signal des Farbstoes [141]. Die Beschleunigung der
Energietransferrate mit steigender Akzeptorkonzentration auf der QD-Oberäche konnte
mit der Annahme der oben beschriebenen Poisson-Verteilung der Anzahl der Akzeptormo-
leküle pro QD beschrieben werden, und gehorchte dem FRET-Modell. Aus der Beschleu-
27
2.2. Halbleiternanokristalle
nigung der Energieübertragung konnten auch die tatsächlichen QD-PDI-Verhältnisse er-
mittelt werden. Die Ermittlung der Verhältnisse stellt üblicherweise eine Herausforderung
dar, da die Konzentration der eingesetzten Kern-Schale-QDs nicht aus den Absorpti-
onsspektren extrahiert werden kann. Hervorzuheben ist, dass, im Gegensatz zu anderen
Studien [62, 140], mit der gewählten Methode die Akzeptorkonzentrationsabhängigkeit
des Energietransfers ohne Parameter aus der Förster-Theorie ermittelt werden konnte.
Beispielsweise muss zur Beschreibung der Akzeptorkonzentrationsabhängigkeit der E mit
Gleichung 2.17 der Förster-Radius R0 verwendet werden. Der Förster-Radius ist mit
1=6
R0  QYD
unter anderem proportional zur Fluoreszenzquantenausbeute des Donors QYD. Die Ver-
wendung von QYD ist problematisch, da durch die Bindung der Akzeptormoleküle die
QD-Fluoreszenz nicht nur auf Grund des Energietransfers, sondern auch durch die Bil-
dung neuer Fallenzustände, welche die nicht-strahlenden Rekombinationsraten des QDs
erhöhen, gesenkt wird [147, 149], und so die eigentliche QYD nicht bekannt ist.
Prinzipiell ist auch der Einsatz von QDs als Energieakzeptoren in FRET-Systemen zu-
sammen mit organischen Farbstoen auf Grund der hohen QD-Extinktionskoezienten
und breiten QD-Absorptionsspektren vielversprechend. Allerdings werden die QDs wegen
ihrer breiten Absorptionsspektren immer zusammen mit dem Farbstodonor angeregt. Da
die Fluoreszenzlebensdauern der QDs im Vergleich zu den typischerweise eingesetzten Do-
norfarbstoen relativ lang sind (10 ns bis 20 ns für QDs und 1 ns bis 5 ns für Farbstoe)
[146], ist die Energietransferrate von den Donorfarbstoen auf die QD-Akzeptoren relativ
gering. Daher ist ein ezienter Energietransfer von organischen Farbstoen auf QD-
Energieakzeptoren häug nicht zu beobachten [146, 150]. Nichtsdestotrotz wurde bei-
spielsweise von Xu et al. ein Energietransfer von 1,8-Naphthalimid auf CdSe-basierte QDs
gezeigt [151]. Auch ein Energietransfer vom Lichtsammelkomplex II auf CdTe-basierte
QDs des Typs II (siehe Abbildung 2.14) wurde gefunden [64].
Ladungstransfer
QDs eignen sich aus den oben beschriebenen Gründen auch für Anwendungen, welche einen
Ladungstransfer zwischen mehreren Komponenten bedingen. Neben den bereits genann-
ten Vorteilen von QDs gegenüber organischen Farbstoen für Energietransferanwendun-
gen, sind im Rahmen von Ladungstransfer basierten Anwendungen auch die Generierung
mehrerer Exzitonen nach Absorption eines einzelnen Photons (Multi-Exciton generati-
on, MEG) [152] und der potentielle Elektronentransfer sogenannter Hot Electrons5 [54]
Eigenschaften, welche ein groÿes Interesse für den Einsatz von QDs hervorrufen.
Wie für den Energietransfer auch, können die Ladungstransferkinetiken mit der An-
5Elektronen, welche in einem Zustand oberhalb der Leitungsbandkante sind
28
2. Theoretische Grundlagen
nahme, dass die Anzahl der Adsorbate pro QD einer Poissonverteilung folgt, beschrieben
werden [106].
Bisher wurde hauptsächlich von Ladungstransferuntersuchungen, welche photoangereg-
te QDs involvieren, berichtet. Der einfachste Ladungstransfermechanismus ndet dabei
ausgehend vom niederenergetischsten angeregten Zustand der QDs statt. Eine Übersicht
über die Prozesse gibt [106]. Diesbezüglich wurden der Elektronentransfer vom Leitungs-
band der QDs auf das LUMO des Elektronenakzeptors [145, 153], der Elektronentransfer
eines Elektronendonors auf das Valenzband der photoangeregten QDs [154] und der Elek-
tronentransfer vom Leitungsband der QDs auf das HOMO des Elektronenakzeptors [155]
experimentell untersucht. Mitunter konkurrieren Ladungs- und Energietransfer in QD-
Farbstosystemen, wie beispielsweise für CdSe-QDs mit adsorbierten Rhodamin B nach
Anregung der CdSe-QDs gefunden wurde [156].
Zur Ausnutzung des MEG müssen die Ladungen im QD separiert werden, bevor die
strahlungslose Rekombination eines der beiden Elektronen-Lochpaare stattndet (Auger-
Rekombination) [103]. Diese Rekombination ndet auf Zeitskalen von 9 ps bis 140 ps
für CdSe-QDs statt[103]. Ein ultraschneller Elektronentransfer mit einer Zeitkonstante
von 70 fs wurde beispielsweise für mehrfach angeregte CdSe-QDs und den koordinierten
Elektronenakzeptor Methylviologen gefunden [157].
Die Nutzung von Hot Electrons ist hinsichtlich der ezienten Nutzung der Energie
aller durch die QDs absorbierten Photonen für Anwendungen in Solarzellen interessant.
Die Elektronen müssen schneller extrahiert werden, als die Relaxation der Exzitonen in
den niederenegetischsten angeregten Zustand stattndet. Typischerweise relaxieren nicht
passivierte CdSe-QDs sehr schnell in den niedrigsten angeregten Zustand (0,1 ps bis
0,3 ps) [158, 159]. Die Extrahierung von Hot Electrons gelang für tetrapodische CdSe-
Nanokristalle auf den Elektronenakzeptor Methylenblau [160] und für CdSe-Nanostäbchen
auf Methylviologen mit einer Zeitkonstante von 0,5 ps [53] sowie von PbSe-QDs auf TiO2
[54]. Auch über den Transfer von Hot Holes von sphärischen CdSe-QDs auf Thiole [161]
wurde berichtet.
Ein spontaner Elektronentransfer von QDs im Grundzustand auf einen Elektronenakzep-
tor wurde für PbS-QDs gefunden [162]. Mit Hilfe von UV/Vis- und IR-Absorptionsspek-
troskopie sowie NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass der Elektronentransfer
auf Tetracyanoquinodimethan auf den auf den PbS-QD-Oberächen bendlichen Schwefel
zurückzuführen war.
2.2.6. Spektroskopische Methoden für die Untersuchung von Energie- und
Ladungstransfer
Die Untersuchung von Energie- und Ladungstransfer in QD-basierten Systemen erfolgt
generell mit spektroskopischen Methoden. Dabei kann aus statischen Absorptionsspek-
tren die Donor- und Akzeptorkonzentration extrahiert werden. Aus statischen Fluores-
29
2.2. Halbleiternanokristalle
zenzmessungen können die Donorlöschung und die Fluoreszenzverstärkung des Akzeptors
abgeschätzt werden. Vielfach wird E aus der Fluoreszenzlöschung des Donors mit
FDA
E = 1  (2.18)
FD
die Energietransferezienz ermittelt [139, 163165]. FD ist dabei die Fluoreszenzinten-
sität des Donors in Abwesenheit des Akzeptors und FDA die Fluoreszenzintensität des
Donors in Anwesenheit des Akzeptors. Allerdings ist diese Vorgehensweise, wie in Ab-
schnitt 2.2.5 diskutiert, problematisch, da nicht nur der Energietransfer zur Reduzierung
der Fluoreszenzintensität der QD-Donoren beiträgt, sondern auch andere Prozesse wie
die Bildung neuer Fallenzustände durch die Bindung der Akzeptoren zu einer verminder-
ten Fluoreszenzintensität führen [147, 149].
Da der Energietransfer als zusätzlicher Relaxationspfad für den Energiedonor zu einer
Reduzierung von dessen Fluoreszenzlebensdauer führt, kann aus den Fluoreszenzlebens-
dauern des Donors in Abwesenheit D und Anwesenheit des Akzeptors DA ebenfalls E
bestimmt werden [139]:
DA
E = 1  (2.19)
D
Dies ist für QDs als Energiedonoren aus den gleichen Gründen problematisch, wie im
Falle der Ermittlung der E aus den Fluoreszenzintensitäten. Auch zur Untersuchung von
Ladungstransfermechanismen von photoangeregten QDs ist diese Methode nicht geeignet,
da schon der Fluoreszenzzerfall von reinen QDs vielfach multiexponentiell ist [57], was eine
Zuordnung zusätzlicher Zerfallskanäle erschwert.
Eine sehr leistungsstarke Methode zur Untersuchung sowohl des Energietransfers als
auch des Ladungstransfers in QD-basierten Systemen ist die transiente Absorptionsspek-
troskopie (TA). Mit einem kurzen Lichtpuls geeigneter Wellenlänge und Leistung werden
die Proben in einen angeregten Zustand versetzt. Mit zeitlich verzögerten Abfragepulsen
wird die Absorption des Systems während der lebenszeit des angeregten Zustands ge-
messen. Die transienten Absorptionsspektren geben Aufschluss über die Dynamiken der
ablaufenden Prozesse. Der groÿe Vorteil der transienten Absorptionsspektroskopie liegt in
der Möglichkeit, auch den Aufbau von nicht uoreszierenden Spezies (beispielsweise Re-
aktionsprodukte nach Ladungstranferreaktionen) zu untersuchen [106]. Im Allgemeinen
können folgende Signale in den Spektren detektiert werden [166]:
 Grundzustandsbleichen (GSB, engl.: ground state bleach): Durch den Anregungspuls
bendet sich ein Teil der Moleküle im angeregten Zustand, sodass deren Grundzu-
stand nicht mehr absorbiert. Die Absorption im Bereich des Grundzustandes verrin-
gert sich damit gegenüber der nicht angeregten Probe, daraus resultiert eine negative
Absorptionsänderung.
 Absorption des angeregten Zustands (ESA, engl.: excited state absorption): Durch
den Anregungspuls bendet sich ein Teil der Moleküle der Probe im angeregten
30
2. Theoretische Grundlagen
Zustand, von wo aus sie durch den Abfragepuls in höher angeregte Zustände über-
gehen können. In den Spektren werden bei den entsprechenden Wellenlängen positive
Absorptionsänderungen beobachtet.
 Stimulierte Emission (SE): Durch den Anregungspuls bendet sich ein Teil der Mo-
leküle der Probe im angeregten Zustand. Ein Photon des Abfragepulses kann die
strahlende Relaxation der Moleküle in den Grundzustand induzieren. Dies äuÿert
sich in Form einer negativen Absorptionsänderung.
 Absorption eines Photoprodukts: Ein Produkt, wie beispielsweise ein Molekül im Tri-
plettzustand oder ein Radikalanion in Folge eines Ladungstransfers, wird als positive
Absorptionsänderung detektiert.
Alle diese Signale bauen sich nach dem Anregungspuls auf bzw. zerfallen nach Anregung.
Aus den Zerfalls -und Aufbaudynamiken kann die zeitliche Abfolge von Prozessen genauer
aufgeklärt werden.
31
3. Experimenteller Teil
Zunächst wird die Synthese der GNPs und die Assemblierung der verschiedenen modi-
zierten GNPs mit dem wasserlöslichen Chlorophyll bindendem Protein (WSCP)vorgestellt.
Daran schlieÿt sich die Synthese der verschiedenen Halbleiternanokristalle und deren Kom-
plexierung mit den organischen Farbstoen Perylendiimid (PDI) bzw. Terrylendiimid (TDI)
an. Die zur Untersuchung der verschiedenen Nanopartikel-Konjugate verwendeten Metho-
den bildet den Abschluss des experimentellen Teils der Arbeit.
3.1. Synthese und Assemblierung von Goldnanopartikeln
(GNPs)
Zur Synthese und Aufbewahrung der citrat-stabilisierten GNPs wurde Reinstwasser (mq-
Wasser) verwendet. Alle WSCP-Varianten wurden in 20 mM Natriumphosphatpuer bei
pH 7,8 gelöst. Alle Experimente mit Streptavidin (SA) wurden in EPPENDORF Protein
LoBind Gefäÿen durchgeführt. Die angegebenen WSCP- und SA-Konzentrationen sind
die Konzentrationen der jeweiligen Tetramere.
3.1.1. Synthese und Charakterisierung der GNPs
Für die Synthese wurden alle verwendeten Glasgeräte und Rührsche über Nacht in Kö-
nigswasser eingelegt und im Anschluss sorgfältig mit mq-Wasser gespült.
Synthese citrat-stabilisierter GNPs nach Frens et al. [22, 167] : Die Synthese der GNPs
nach der Methode von Frens et al. [22, 167] wurde von Michaela Wagner aus der Arbeits-
gruppe Basché am Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität
Mainz durchgeführt. 1 ml 12,7 mM Tetrachloridogoldsäure (5 mg HAuCl4 x 3H2O in 1
ml mq-Wasser) wurden in 49 ml mq-Wasser in einem Erlenmeyerkolben gelöst und unter
Rühren zum Sieden erhitzt. Nach Zugabe von 38.8 mM Natriumcitratlösung färbte sich
die Reaktionslösung zunächst blau, und innerhalb von etwa 3 min rot. Die Lösung wurde
weitere 5 min am Siedepunkt gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die ab-
gekühlte Reaktionslösung wurde in sterile NALGENE®-Behälter überführt und wurden bis
zur weiteren Verwendung bei 6 °C gelagert.
Das Volumen der Natriumcitratlösung bestimmt die Partikelgröÿe, exemplarische Vo-
lumina und resultierende Partikelgröÿen sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Im Rahmen der
vorliegenden Arbeit wurden hauptsächlich mit 0,3 ml und 0,4 ml Natriumcitratlösung
32
3. Experimenteller Teil
synthetisierte GNPs verwendet. Der mittlere Durchmesser bei Einsatz von 0,3 ml Natri-
umcitratlösung lag bei 48 nm (minimaler mittlerer Durchmesser (43  7) nm, maximaler
mittlerer Durchmesser (52 7) nm), bei Einsatz von 0,4 ml bei 43 nm (minimaler mittler-
er Durchmesser (41  6) nm, maximaler mittlerer Durchmesser (46 5) nm). Bei einer
Synthese wurden 0,35 ml Natriumcitratlösung verwendet (mittlerer Durchmesser (45 
6) nm). Im Zuge der Assemblierung citrat-stabilisierter GNPs in Abschnitt 4.2 wurde auch
ein Experiment mit unter Verwendung von 0,5 ml Natriumcitratlösung hergestellten GNPs
durchgeführt, der mittlere Partikeldurchmesser dieser lag bei 36 4 nm. Näheres bezüglich
der Charakterisierung der GNPs ndet sich im folgenden Abschnitt Charakterisierung der
GNP-Lösungen.
Synthese citrat-stabilisierter GNPs mit d = 29 nm (KK): Die Synthese der GNPs mit
einem Durchmesser von 29 nm wurde von Katja Krüger im Rahmen ihres Modulpraktikums
basierend auf der in [168] beschriebenen Vorschrift durchgeführt. Es wurden 150 ml einer
2 mM Natriumcitratlösung in einem Dreihalskolben mit Temperaturfühler, Rückusskühler
und Septum vorgelegt und auf 100°C erhitzt. Die Lösung wurde ca. 10 min am Siedepunkt
gehalten. Dann wurde 1 ml 25 mM HAuCl4-Lösung hinzugegeben, woraufhin sich die
farblose Lösung innerhalb von 10 min über blau nach rot färbte. Die Lösung wurde auf 90
°C abgekühlt und 1 ml 25 mM HAuCl4-Lösung zugegeben. Nach 30 Minuten wurde 1 ml
25 mM HAuCl4-Lösung zugegeben, und erneut 30 Minuten gerührt. Der Vorgang wurde
noch ein weiteres Mal wiederholt (Gesamtvolumen zugegebener HAuCl4-Lösung 3 ml),
und die Reaktionslösung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die abgekühlte Reaktionslösung
wurde in sterile NALGENE®-Behälter überführt und bis zur weiteren Verwendung bei 6 °C
gelagert.
Vor der weiteren Verwendung wurden die GNP-Lösungen durch Zentrifugation von den
Nebenprodukten und nicht umgesetzten Reaktanden getrennt. Die GNP-Lösung wurde
hierfür auf mehrere 2 ml-Eppendorfgefäÿe aufgeteilt, zentrifugiert, die Überstände ver-
worfen und die Pellets in mq-Wasser suspendiert. Der Vorgang wurde wiederholt, und die
vereinigten Pellets mit mq-Wasser in etwa einem Zehntel des Ursprungsvolumens verdünnt.
Die für die Zentrifugation zu verwendende Geschwindigkeit hängt vom Durchmesser der
GNPs ab. Zur Abschätzung der Gröÿe wurde von den Proben vor der Aufarbeitung ein
Extinktionsspektrum gemessen, und der D(urchmesser)mit
ln Res 512nm
6,53
d = (3.1)
0, 0216
aus dem Plasmonenresonanzmaximum Res abgeschätzt [169]. Die verwendeten rela-
tiven Zentrifugalkräfte sind ebenfalls in Tabelle 3.1 aufgeführt.
33
3.1. Synthese und Assemblierung von Goldnanopartikeln (GNPs)
Tabelle 3.1.: Übersicht über exemplarische im Rahmen der Arbeit verwendete GNPs. V ist
das verwendete Volumen der Natriumcitratlösung, Abs ist das Extinktionsma-
ximum, d (TEM) an Hand von TEM-Aufnahmen ermittelter mittlerer Durch-
messer, d (Ext) nach Gleichung 3.1 abgeschätzter Durchmesser [169], 450
ist der Extinktionskoezient bei  = 450 nm aus [169] für den an Hand von
TEM-Aufnahmen bestimmten Durchmesser.
V / ml Ext / nm d (TEM) / nm d (Ext) / nm 450 / rel. Zentrifugal-
l mol=1 cm=1 kraft / g
0,30 13 535 52  7 58 1,57  1010 2600
0,35 11 534 45  6 56 7,13  109 2700
0,40 9 533 42  7 54 5,74  109 2700
0,50 2 528 36  4 42 3,52  109 3400
KKa 523 29 5 32 1,76  109 5500
asynthetisiert nach [168]
Charakterisierung der GNP-Lösungen
TEM-Aufnahmen und Gröÿenverteilungen zweier mit 0,3 ml, zweier mit 0,4 ml und der mit
0,5 ml Natriumcitratlösung synthetisierten GNPs sowie der Probe KK sind in Abbildung
3.1 gezeigt, in Abbildung A.1 sind TEM-Aufnahmen und Gröÿenverteilungen aller in der
vorliegenden Arbeit eingesetzten GNPs gezeigt. Tabelle 3.1 fasst die Ergebnisse von GNP-
Synthesen, welche mit verschiedenen Natriumcitratvolumina erhalten wurden, zusammen.
Auch die Parameter der Probe KK sind aufgeführt.
Die Konzentration der GNP-Lösungen wurde aus den Absorbanzen der GNP-Lösungen
und den mit den Durchmessern der GNPs (TEM-Aufnahmen) mit den in [169] angege-
benen Extinktionskoezienten bei einer Wellenlänge von 450 nm mit
A450
c =
450
bestimmt. Dabei ist A450 die Absorbanz der Lösung bei 450 nm. Die Extinktionskoe-
zienten 450 sind in Tabelle 3.1 sowie in den Bildunterschriften der im Anhang in Abbil-
dung A.1 aufgelisteten TEM-Aufnahmen mit Gröÿenverteilungen aller hier verwendeten
GNPs angegeben. Beispielsweise ist für die in Tabelle 3.1 aufgeführte Probe mit 0,3 ml
Natriumcitratlösung (TEM-Aufnahmen siehe Abbildung 3.1a, I) mit d = 52 nm 450 =
1,12  1010M=1 cm=1 [169] die Konzentration in der Reaktionslösung c = 2,9  10=11mol l=1.
Die mit Gleichung 3.1 ermittelten Durchmesser überschätzen in allen Fällen die mit Hilfe
von TEM-Aufnahmen ermittelten Durchmesser, und es ergibt sich mit dem Wert für 450
des überschätzten Durchmessers von 58 nm ( = 1,57  1010450 M=1 cm=1) eine Partikel-
konzentration c = 2,1  10=11mol l=1.
Exemplarisch soll an Hand dieser Probe auch der in [169] angegebene Extinktionsko-
34
3. Experimenteller Teil
Abbildung 3.1.: Exemplarische TEM-Aufnahmen. a) unter Verwendung von 0,3 ml Natrium-
citrat synthetisierte GNPs: d(I) = 52 7, d(II) = 52 7 (weitere Aufnahmen
siehe Abbildung A.1k und A.1l) b) unter Verwendung von 0,4 ml Natriumci-
trat synthetisierte GNPs: d(I) = 42  7, d(II) = 43  7 (weitere Aufnahmen
siehe Abbildung A.1h und A.1o) c) unter Verwendung von 0,4 ml Natrium-
citrat synthetisierte GNPs I, d(I) = 36  4 , GNPs synthetisiert nach [168]
II (KK), d(II) = 29  5 (weitere Aufnahmen siehe Abbildung A.1b und A.1i)
35
3.1. Synthese und Assemblierung von Goldnanopartikeln (GNPs)
ezient auf dessen Plausibilität überprüft werden, in dem die Partikelkonzentrationen,
welche mit 450 des an Hand des mit TEM-Aufnahmen bestimmten mittleren Partikel-
durchmessers ermittelt wurde, mit den theoretisch aus der eingesetzten HAuCl4-Menge
maximal erzielbaren Konzentration verglichen wird. Das Volumen eines Partikels mit dem
Durchmesser 52 nm beträgt
4
V =   (26 nm)3 = 7, 36  103 nm3.
3
Eine Einheitszelle hat ein Volumen von 0,07 nm3 [170], sodass ein Partikel aus1,05  106
Einheitszellen besteht. Die kubisch ächenzentrierte Elementarzelle wird von vier Gold-
atomen aufgebaut, sodass aus den eingesetzten 7,65  1018 Goldatomen (aus 5 mg HAuCl4)
theoretisch 1,82  1012 Goldpartikel gebildet werden können. Dies entspricht 3,02  10=12mol
Goldpartikeln. Die Konzentration der GNPs in 50 ml Reaktionslösung würde bei vollständi-
ger Umsetzung 6,04  10=11mol l=1 betragen. Der Wert ist etwa zweimal höher als der mit
450 bestimmte Wert. Vor dem Hintergrund, dass die Partikelkonzentration nach der Auf-
arbeitung der Reaktionslösung bestimmt wurde, welche mit Partikelverlusten einhergeht,
und dem in der Realität nicht vollständigen Umsatz der Reaktion, wird davon ausgegangen,
dass mit den in [169] angegebenen Werten für 450 verlässliche Partikelkonzentrationen
ermittelt werden können.
Neben den aus der Überschätzung der Partikeldurchmesser resultierenden unterschätz-
ten Partikelkonzentrationen bei Verwendung des Extinktionsmaximus zur Bestimmung der
Partikeldurchmesser ergeben sich auch Abweichungen in der tatsächlichen Gesamtparti-
keloberäche einer GNP-Lösung. Beispielsweise beträgt die Gesamtpartikeloberäche in 1
ml der 52 nm GNP-Lösung aus Tabelle 3.1 1,5  1014 nm2. Mit dem abgeschätzten Durch-
messer von 58 nm (c = 2,1  10=11mol l=1) läge der Wert bei 1,3  1014 nm2. Im Rahmen
der durchgeführten Experimente lag der maximal gefundene Unterschied zwischen der Ge-
samtpartikeloberäche, welche aus den Extinktionsspektren abgeschätzt wurde, und der
an Hand der mit TEM-Aufnahmen bestimmten Partikelgröÿen bei 25%.
Während der experimentellen Arbeit erwies es sich als praktikabel, mit den aus den
Extinktionsspektren mit [169] abgeschätzten Durchmessern und den resultierenden Parti-
keloberächen zu arbeiten. Die Stabilisierung der GNPs mit Streptavidin bzw. Polyethylen-
glycolthiolen (PEGs) konnte auf Grund der verwendeten Überschüsse problemlos mit den
aus den Extinktionsspektren abgeschätzten Werten durchgeführt werden. Im Ergebnisteil
dieser Arbeit sind alle WSCP-GNP-Verhältnisse für die tatsächliche GNP-Konzentration,
welche mit den aus den TEM-Aufnahmen ermittelten Durchmessern und mit den Werten
für 450 aus [169] bestimmt wurden, angegeben.
3.1.2. Funktionalisierung der GNPs
Für die Funktionalisierung der GNPs mit SA bzw. PEGs wurden die Partikelkonzentrationen/-
oberächen an Hand der aus den Extinktionsspektren mit [169] abgeschätzten Durchmes-
36
3. Experimenteller Teil
ser bestimmt (Gleichung 3.1).
Stabilisierung der Goldnanopartikel mit Streptavidin (SA)
Die SA-Funktionalisierung sowie alle weiteren Schritte mit SA-funktionalisierten GNPs
wurden in EPPENDORF Protein LoBind Gefäÿen durchgeführt. Das SA wurde in diesen
Gefäÿen in mq-Wasser aliquotiert und tiefgekühlt aufbewahrt.
2 ml bis 4 ml einer 0,05 nM GNP-Lösung (10 mM Natriumphosphatpuer pH = 7,8)
wurden in 200 µl-Schritten zum gleichen Volumen einer SA-Lösung gewünschter Konzen-
tration (10 mM Natriumphosphatpuer pH = 7,8) pipettiert. Nach jeder zugegebenen
Volumeneinheit wurde die Lösung 10 s geschüttelt. Nach Zugabe der letzten Volumen-
einheit wurde die Lösung 60 s geschüttelt und über Nacht bei 6 C inkubiert. Für eine
vollständige Passivierung werden mindestens 0,2 SA pro nm2-Partikeloberäche benötigt
(vgl. Abschnitt 4.3.1), um eine Quervernetzung der GNPs zu verhindern, wurden 0,5 SA
pro nm2-Partikeloberäche verwendet, wobei die Gesamtoberäche der GNPs mit dem aus
dem Plasmonenresonanzmaximum abgeschätzten Durchmesser (Gleichung 3.1) berechnet
wurde.
Die SA-stabilisierten GNPs wurden zweimal durch Zentrifugation gereinigt. Da die elek-
trostatische Abstoÿung zwischen den GNPs nicht so hoch ist, wie im Falle der citrat-
stabilisierten GNPs, wurden in 10 min Intervallen die Sedimente aus den Zentrifugenge-
fäÿen entnommen, um eine Aggregierung der GNPs zu vermeiden. Die vereinigten Sedi-
mente des ersten Zentrifugationsdurchlaufs wurden mit 20 mM Natriumphosphatpuer
pH = 7,8 auf das vorher vorliegende Volumen aufgefüllt. Nach dem zweiten Zentrifuga-
tionsdurchgang wurden die Sedimente vereinigt und mit 20 mM Natriumphosphatpuer
auf eine GNP-Konzentration von etwa 1 nM eingestellt.
Stabilisierung der Goldnanopartikel mit Polyethylenglycol (PEG)
Zur Stabilisierung der GNPs mit PEG wurden Mischungen aus Thiol-PEGs mit Carboxylat-
Funktionalisierung und Biotin-Funktionalisierung verwendet (siehe Tabelle 3.2). Für die
Stabilisierung der GNPs mit PEG wurden 5 mM PEG-Lösungen im mq-Wasser mit dem
gewünschten PEG-Verhältnis hergestellt. Pro nm2 GNP-Oberäche wurden 1400 PEG-
Moleküle eingesetzt, die Gesamtoberäche der GNPs wurde mit dem aus dem Plasmo-
nenresonanzmaximum abgeschätzten Durchmesser nach Gleichung 3.1 berechnet. Die
PEG-Lösung wurde in einer 250 mM Natriumhydrogencarbonatlösung zusammen mit mq-
Wasser so verdünnt, dass nach Zugabe des GNP-Volumens die PEG-Konzentration 2 mM
und die Konzentration des Natriumhydrogencarbonats 25 mM betrugen. Die PEG-Lösung
wurde vorgelegt, mit dem entsprechenden Volumen GNP-Lösung gemischt und über Nacht
bei 6 C inkubiert.
37
3.1. Synthese und Assemblierung von Goldnanopartikeln (GNPs)
Funktionalisierung PEG-stabilisierter Goldnanopartikel mit SA
Die PEG-stabilisierten GNPs wurden dreimal zentrifugiert. Nach jedem Zentrifugations-
durchgang wurde der Überstand verworfen und die Pellets in 20 mM Natriumphosphat-
puer pH = 7,8 gelöst. Es wurde die doppelte Stomenge SA der zur Stabilisierung mit
PEG verwendeten Stomenge Biotin-PEG verwendet, um eine Vernetzung der GNPs mit
SA zu vermeiden. Das SA wurde mit den GNPs in 20 mM Natriumphosphatpuer pH =
7,8 gemischt. Die Konzentration der PEG-GNPs in der Reaktionslösung war 1 nM.
Die PEG-stabilisierten SA-funktionalisierten GNPs wurden dreimal zentrifugiert, um
überschüssiges SA zu entfernen. Nach jedem Zentrifugationsdurchgang wurde der Über-
stand verworfen und die Sedimente in 20 mM Natriumphosphatpuer pH = 7,8 gelöst.
Die Konzentration der SA-PEG-GNPs wurde nach der dritten Zentrifugation auf 1 nM
eingestellt.
3.1.3. Assemblierung der GNPs mit WSCP
Während der Experimente wurden die GNP-Konzentration mit den aus den Extinktions-
maxima abgeschätzten Partikeldurchmessern nach Gleichung 3.1 bestimmt. Die im Er-
gebnisteil angegeben Verhältnisse beziehen sich auf die tatsächlichen Konzentrationen,
welche sich aus den an Hand von TEM-Aufnahmen ermittelten Durchmessern ergeben
(siehe Abschnitt Charakterisierung der GNP-Lösungen).
Testreaktion mit WSCP
Es bietet sich an, vor den eigentlichen Assemblierungreaktionen eine Testreaktion durch-
zuführen. Hierfür werden 4,5  10=15mol GNPs in 10 µl bis 20 µl Puer mit 4,5  10=14mol
WSCP gemischt. Bei erfolgreicher WSCP-vermittelter Assemblierung färbt sich nach etwa
zwei Minuten die rote Lösung über lila nach blau-schwarz.
Assemblierung citrat-stabilisierter Goldnanopartikel
Eine GNP-Lösung mit einer Konzentration von etwa 0,1 nM in 10 mM bis 20 mM Natri-
umphosphatpuer pH = 7,8 wurde mit dem für das gewünschte WSCP-GNP-Verhältnis
benötigte Volumen einer 4 nM WSCP-Lösung gemischt. Die Lösung wurde 30 s geschüt-
telt und über Nacht bei 6 C inkubiert. Bei allen Proben einer Probenreihe wurde darauf
geachtet, dass das nale GNP-Puer-Verhältnis gleich war.
Assemblierung SA-stabilisierter und SA-PEG-stabilisierter Goldnanopartikel
Das gewünschte Volumen der 1 nM GNP-Lösung wurde mit einem geringen Volumen
(0,5 µl bis 5,0 µl) WSCP-Lösung mit einer für das gewünschte GNP-WSCP-Verhältnis
38
3. Experimenteller Teil
geeigneten Konzentration (Tetramerkonzentration 5 nM bis 50 nM) gemischt, 30 s ge-
schüttelt und über Nacht bei 6 C inkubiert.
Viskositätsgradientenzentrifugation
Vor der Zentrifugation wurden die SA-GNPs und die SA-PEG-GNPs synthetisierten Aggre-
gate mit einem Überschuss Biotin gemischt, um die freien Bindungsstellen des SAs zu
sättigen und so eine Weiterreaktion/zusätzliche Aggregation durch den Zentrifuagtions-
vorgang zu verhindern.
Die Saccharoselösungen wurden in der gewünschten Konzentration für die citrat-stabili-
sierten GNPs mit mq-Wasser und für die SA-GNPs mit 50 mM Natriumphosphatpuer pH
8,0 hergestellt und in einem Zentrifugengefäÿ vorsichtig übereinander geschichtet. Auf die
oberste Saccharoseschicht wurde die GNP-Probe pipettiert. Die besten Ergebnisse wurden
mit einem Gradienten von je 0,3 ml 40 wt%-, 47 wt%-, 53 wt%-, 56 wt%-, 60 wt%- und
64 wt%-Saccharoselösungen bei 2350 g, 20 C und 1 h Zentrifugationsdauer erhalten. Zu
Beginn wurden die GNP-Schichten 3 min mit einer relativen Zentrifugalkraft von 600 g
an der obersten Saccharoseschicht aufkonzentriert. Das Probenvolumen betrug 200 µl bis
400 µl mit einer Konzentration der GNPs von etwa 1 nM.
Gelelektrophorese
Die Agarosegele wurden mit 0,5X TRIS-Borat-EDTA-Puer (TBE-Puer) pH 8,3 her-
gestellt. Die GNP-Lösungen wurden mit einem Überschuss Biotin versetzt und vor der
Gelelektrophorese mittels Zentrifugation pelletiert und in einer 15 wt%-igen Saccharoelö-
sung in 0,5X TBE-Puer pH 8,3 suspendiert, sodass die Konzentration der GNPs etwa 2
nM war. Es wurden Spannungen von 100 V bis 170 V verwendet. Die Konzentration der
Agarose-Gele betrug 0,8 wt% bis 1,3 wt%.
Zur Extrahierung der GNPs aus den Agarosegelen wurden die entsprechenden Gelstücke
mit einem Skalpell ausgeschnitten und in eine mit dem zur Gelelektrophorese verwendete-
ten Puer befüllte Dialysemembran (ROTH ZelluTrans MWCO 12 000 - 14 000) überführt
und erneut in der Elektrophoresekammer platziert. Die Proben wurden bei einer Spannung
90 V aus den Gelen extrahiert.
3.2. Synthese der Halbleiternanokristalle (QDs) und der
Komplexe mit Perylendiimid bzw. Terrylendiimid
3.2.1. Precursor-Lösungen
Für die Synthese der CdSe- und CdSe-Kern-Schale QDs:
 0,2 M Se-TOP: 79 mg Se wurde in 5 ml Trioctylphosphin (TOP) mit Argon durch-
strömt und im Ultraschallbad gelöst.
39
3.2. Synthese der Halbleiternanokristalle (QDs) und der Komplexe mit Perylendiimid
bzw. Terrylendiimid
 0,2 M Cd-Precursor: 0,641 g CdO wurden mit 6,9 ml Ölsäure und 18 ml ODE im
Argongegenstrom auf 200 C erhitzt, bis eine goldgelbe klare Lösung vorlag.
 0,2 M Zn-Precursor: 0,407 g ZnO wurden in 6,9 ml Ölsäure und 18 ml ODE im
Argongegenstrom bei 150 C gelöst.
 0,2 M S-Precursor: 0,160 g S wurden im Ultraschallbad in 25 ml ODE gelöst.
Für die Synthese der CdTe/CdSe/ZnS Kern-Schale-QDs:
 0,1 M Te-TOP-ODE: 0,128 g Te wurden in 5 ml TOP und 5 ml ODE unter Argon
durch leichtes Erwärmen mit dem Heizfön gelöst.
 0,1 M Cd(OAc)2-ODE: 0,267 g Cd(OAc)2  2 H2O wurden in 4 ml TOP und 6 ml
ODE im Argongegenstrom ehitzt, bis eine farblose, klare Lösung vorlag.
 0,1 M Se-TOP-ODE: 0,079 g Se wurden mit 5 ml TOP und 5 ml ODE gemischt,
mit Argon durchströmt und im Ultraschallbad gelöst.
 0,1 M Zinkdithiodicarbamat-TOP-ODE (ZDC-TOP-ODE): 0,360 g ZDC wurden
mit 5 ml TOP und 5 ml ODE gemischt, mit Argon durchströmt und im Ultraschall-
bad gelöst.
3.2.2. Synthese der CdSe-Halbleiternanokristalle
Die Synthese der CdSe-Kerne wurde analog zu der in [123] angegebenen Vorschrift durch-
geführt. 50 mg CdO, 3 g Trioctylphosphinoxid (TOPO) und 220 mg Tetradecylphosphon-
säure (TDPA) wurden 2 h bei 100 C evakuiert. Die Reaktionsmischung wurde auf 350 C
erhitzt, um das Cadmiumoxid zu lösen. 2 ml der Se-TOP-Lösung wurden schnell zuge-
spritzt. Die Wachstumstemperatur betrug 300 C, die Wachstumsdauer 2 min. Die Reak-
tionsmischung wurde mit Hilfe von Druckluft schnell auf 70 C abgekühlt. Zur Entfernung
überschüssiger Liganden und nicht umgesetzter Vorstufen wurde die Reaktionsmischung
mit 10 ml Toluol verdünnt und mit Ethanol/Methanol im Verhältnis von 3:1 versetzt und
in ein Zentrifugengefäÿ überführt. Nach fünfminütiger Zentrifugation wurde der Überstand
verworfen und die CdSe-QDs in 3 ml Chloroform gelöst. Die CdSe-QDs hatten Durch-
messer zwischen 2,8 nm und 3,0 nm, die CdSe-Partikelkonzentration der Lösungen lagen
zwischen 2,1  10=4mol/l und 3,1  10=4mol/l. Konzentration und Durchmesser der Parti-
kel wurden nach [111] bestimmt. Eine TEM-Aufnahme ist in Abbildung 5.5a in Abschnitt
5.1 gezeigt.
3.2.3. Synthese der CdSe/CdS/ZnS Kern-Schale-Halbleiternanokristalle
Synthese der CdSe-Kerne: Die Synthese der CdSe-Kerne für die beschichteten QDs er-
folgte analog der CdSe-Kerne für die CdSe-PDI-Komplexe. Die Einspritztemperatur für
40
3. Experimenteller Teil
den Se-Precursor lag aber bei 280 C, die Wachstumstemperatur bei 250 C. Die Reak-
tionszeit betrug 1 min. Die CdSe-Kerne wurden nach der Aufarbeitung in 4 ml Toluol
gelöst. Die Konzentration der CdSe-QDs betrug 5,1  10=4mol/l, der Durchmesser 2,5
nm. Konzentration und Durchmesser der Partikel wurden nach [111] bestimmt.
Berechnung der für die Beschichtung benötigten Volumina der Precursor-Lösungen:
Die theoretischen Schichtdicken für eine Monolage (ML) CdS wurde mit 0,35 nm an-
genommen, die für eine ML ZnS mit 0,31 nm [123]. Aus der Dierenz der Volumina
der CdSe-Kerne und der mit einer Monolage beschichteten Kerne wurde das Volumen
der Schicht berechnet. Die theoretisch benötigten Precursor-Volumina pro ML wurden
halbiert, da dies die besten Ergebnisse erzielt [123].
Synthese der Kern-Schale QDs: Die CdSe-Kerne wurden mit einer ML CdS und zwei
(CdSe-2ZnS) bzw. fünf ML ZnS (CdSe-5ZnS) beschichtet. Für beide Kern-Schale-QDs
wurden die gleichen CdSe-Kerne verwendet. Für die Beschichtung der CdSe-Kerne wurden
für beide QD-Chargen 5,1  10=7mol CdSe-QDs mit 3 ml ODE und 0,5 ml Oleylamin bei
100 C im Dreihalskolben mit Temperaturfühler und Septum 3 h evakuiert. Die Kationen-
precursormenge für die erste ML wurde im Argongegenstrom bei 100 C zugespritzt. Im
Anschluss wurde die Lösung auf 240 C erhitzt, und 10 min nach Erreichen dieser Tempera-
tur der Anionenprecursor zugegeben. Die restlichen Volumina für die einzelnen ML wurden
abwechselnd in 10 min-Intervallen zugegeben. Im Anschluss wurden die QD-Lösungen wie
die CdSe-Kerne aufgearbeitet und in 3 ml Chloroform gelöst. Die QD-Konzentration be-
trug 1,7  10=4mol/l und wurde basierend auf der zur Synthese eingesetzten Stomenge
der CdSe-QDs ermittelt. TEM-Aufnahmen der Kern-Schale-QDs sind in Abbildung 5.5b
und c in Abschnitt 5.1 gezeigt, der Durchmesser der CdSe-2ZnS-QDs betrug 4,8 nm, der
der CdSe-5ZnS 5,4 nm.
3.2.4. Synthese der CdTe/CdSe/ZnS Kern-Schale-Halbleiternanokristalle
Synthese der CdTe-Kerne: 26 mg CdO, 140 mg TDPA und 4 ml ODE wurden 2 h bei
100 °C evakuiert. Im Argongegenstrom wurde die Reaktionsmischung auf 300 °C erhitzt,
wobei ein klare farblose Lösung entstand. 2 ml einer 0,1 M Te-TOP-ODE wurden schnell
in die Reaktionslösung gespritzt. Die Wachstumstemperatur betrug 270 °C, die Reakti-
onsdauer 1,5 min. Die Lösung wurde mit Hilfe von Druckluft rasch auf 70 °C abgekühlt,
mit etwa 10 ml Toluol verdünnt und die CdTe-Kerne durch Zugabe von Ethanol ausge-
fällt. Die Mischung wurde in ein Zentrifugengefäÿ überführt und 5 min zentrifugiert. Der
Überstand wurde verworfen und das Pellet in 3 ml Toluol gelöst. Die nach [111] abge-
schätzten Partikeldurchmesser lagen zwischen 3,5 nm und 3,6 nm, die damit ermittelten
Partikelkonzentrationen lagen zwischen 1,0  10=4mol/l und 1,8  10=4mol/l. Die mittle-
ren Durchmesser, welche an Hand der TEM-Aufnahmen ermittelt wurden, lagen zwischen
3,6 nm und 4,4 nm, wobei die Abweichung zu den an Hand [111] bestimmten Durchmes-
sern unter anderem auf die Qualität der TEM-Aufnahmen zurückzuführen ist. Die mittels
41
3.2. Synthese der Halbleiternanokristalle (QDs) und der Komplexe mit Perylendiimid
bzw. Terrylendiimid
TEM-Aufnahmen bestimmten Durchmesser liegen aber im Bereich der von [111] ange-
gebenen Ungenauigkeit von 20% bis 30%. Absorptions- und Fluoreszenzspektren sowie
TEM-Aufnahmen mit den Gröÿenverteilungen von vier exemplarischen CdTe-Kernchargen
sind im Anhang in Abbildung A.18 gezeigt.
Zweistuge Synthese auf Basis von [134]: Die benötigten Volumina der Precursor-
Lösungen wurden analog der Vorgehensweise für die CdSe/CdS/ZnS-QDs bestimmt. Da-
bei wurde die Schichtdicke einer Monolage CdSe als 0,35 nm angenommen. Die theoreti-
schen bestimmten Volumina für die CdSe-Schichten wurden halbiert, die ZnS-Schichten
wurden unter Verwendung von 100% des theoretisch benötigten Volumens aufgetragen.
1,5  10=7mol CdTe-Kernpartikel in Toluol wurden im Dreihalskolben mit Temperaturfüh-
ler und Septum zusammen mit 3,5 ml ODE, 0,140 g TDPA und 0,5 ml TOP 1 h bei
Raumtemperatur und weitere 20 min bei 100 °C evakuiert. Im Argongegenstrom wurde
der Kationenprecursor bei 100 °C zugespritzt und die Reaktionslösung auf eine Tempe-
ratur von 170 °C erwärmt. Nach 30 min wurde der Anionenprecursor zugegeben. Mit
Hilfe einer Spritze wurde zu verschiedenen Zeitpunkten 0,05 ml Probe entnommen und
Absorptions- sowie Fluoreszenzspektren der Probe gemessen. Sobald sich innerhalb von 30
min die spektrale Position des Emissionsmaximums um weniger als 10 nm änderte, wurde
die Reaktionslösung mit Hilfe von Druckluft auf 100 °C abgekühlt und erneut der Ka-
tionenprecursor zugegeben. Die Temperatur der Reaktionslösung wurde erhöht und nach
30 min der Anionenprecursor zugegeben. Es wurde weiter verfahren wie bei der ersten
Schicht. Die Reaktionstemperaturen waren 190 °C und 200 °C für die zweite und dritte
ML CdSe. Die Synthese kann auch bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden,
dann werden aber deutlich höhere Reaktionszeiten notwendig (näheres siehe Abschnitt
6.1). Zur Beschichtung mit ZnS wurde der ZDC-Precursor bei 135 °C zugespritzt. Nach
30 min wurde die Reaktionsmischung auf 200 °C erwärmt und 30 min bei dieser Tem-
peratur belassen. Nach Abkühlen der Reaktionslösung mit Hilfe von Druckluft auf 70 °C
wurde diese mit 10 ml Toluol gemischt und die QDs mit Ethanol ausgefällt. Die Mischung
wurde in ein Zentrifugenglas überführt und 5 min zentrifugiert. Der Überstand wurde ver-
worfen und das Sediment in 1 ml Toluol gelöst. Die Partikelkonzentration betrug unter
der Annahme, dass sich die Konzentration der CdTe-Kerne durch die Beschichtung nicht
ändert, 1,5  10=4mol/l.
Ligandaustausch mit Dihydroliponsäure (DHLA): 0,5 ml der QDs wurden mit 3 ml
Toluol verdünnt. 0,160 ml DHLA wurden in 10 ml Isopropanol gelöst und mit mit Te-
tramethylammoniumhydroxidpentahydrat auf einen pH-Wert von 12 eingestellt. Die QD-
Lösung wurde mit dieser Lösung gemischt und 1 h gerührt. Im Anschluss wurden die QDs
durch Zugabe von Ethylacetat ausgefällt und 30 min zentrifugiert. Der Überstand wurde
verworfen und das Sediment in 0,5 ml Wasser gelöst.
Einstuge Synthese nach [64]: Die Einspritztemperatur der Te-Vorstufe für die CdTe-
Kerne lag bei 315 °C, die Wachstumstemperatur bei 270 °C. Die Reaktionslösung wurde
nach 20 s Wachstumsdauer mit Hilfe von Druckluft auf 100 °C abgekühlt. Die CdTe-Kerne
42
3. Experimenteller Teil
wurden nach der Synthese nicht aufgearbeitet, sondern direkt in der Reaktionslösung be-
schichtet. Als Vorstufen wurden eine 0,2 M Se-TOP-Lösung (0,079 g Se gelöst in 5 ml
TOP) und 0,1 M Cd(OAc)2-Lösung (siehe 3.2.1) eingesetzt. Die Volumina der Katio-
nenvorstufen waren 0,5 ml, 0,8 ml und 1,2 ml für die erste, zweite und dritte ML, die
Volumina der Anionenvorstufen waren auf Grund der doppelten Konzentration halb so
hoch. Anionen- und Kationenprecursor wurden für jede ML gleichzeitig bei einer Tempe-
ratur von 100 °C zugegeben, die Wachstumstemperatur für die einzelnen Schichten lag
bei 235 °C. Die Reaktionsdauer pro ML betrug 30 min.
Modizierte einstuge Synthese auf Basis von [64]: Die CdTe-Kerne erfolgte analog
der Vorschrift in [64]. 26 mg CdO, 250 mg TDPA und 5 ml ODE wurden 2 h bei 100
°C evakuiert. Im Argongegenstrom wurde die Mischung auf 315 °C erhitzt, wobei eine
klare farblose Lösung entstand. 2 ml der 0,1 M Te-TOP-ODE-Lösung wurden schnell
zugespritzt, wodurch sich die Temperatur der Lösung auf 270 °C reduzierte. Nach 20 s
wurde die Reaktionslösung mit Hilfe von Druckluft abgekühlt.
Die Beschichtung der CdTe-Kerne erfolgte ohne vorherige Aufarbeitung direkt in der
Reaktionslösung. Vor der Beschichtung wurden Gröÿe und Konzentration der CdTe-Kerne
in der Reaktionslösung mit [111] aus dem Absorptionsspektrum bestimmt, und die pro
ML benötigten Volumina der Vorstufenlösungen analog zur zweistugen Synthese ermit-
telt. Für die Beschichtung wurden 50% des theoretisch benötigten Volumens eingesetzt.
Zwischen Kationen- und Anionenzugabe wurde 30 min pausiert. Die Zugabe des Katio-
nenprecursors für die erste ML erfolgte bei einer Temperatur von 100 °C, woraufhin die
Reaktionslösung auf 200 °C erwärmt wurde. Die Reaktionslösung wurde für 30 min bei
dieser Temperatur gehalten, dann wurde der Anionenprecursor zugespritzt. Analog zur
Vorgehensweise der zweistugen Synthese wurde in 30 min Intervallen Proben aus der
Reaktionslösung entnommen und Absorptions- und Fluoreszenzspektren gemessen. Wenn
sich die spektrale Position des Emissionsmaximums innerhalb von 30 min Reaktionszeit
um weniger als 10 nm verschob, wurde mit der nächsten ML begonnen. Die Lösung wur-
de hierfür wieder auf 100 °C abgekühlt und der Kationenprecursor für die nächste ML
zugegebenen. Es wurde wie bei der ersten Schicht weiter verfahren. Die folgenden Schich-
ten wurden analog aufgetragen. Die Partikel wurden analog zur zweistugen Synthese
aufgearbeitet.
3.2.5. Synthese der CdSe- und CdSe/CdS/ZnS-Perylendiimid-Komplexe
Die Herstellung der Komplexe erfolgte analog der in [63] beschriebenen Vorgehenswei-
se. 0,1 ml einer 4,5  10=5M QD-Lösung wurden mit 0,9 ml einer PDI-Lösung in Chlo-
roform gemischt. Die Konzentration der Farbsto-Lösung wurde entsprechend des ge-
wünschten PDI-QD-Verhältnisses eingestellt. Nach der Zugabe von 100 µl einer 32 mM
K2CO3-Lösung wurden die Proben für vier Stunden im Ultraschallbad platziert. Die trü-
ben Mischungen wurden zentrifugiert, der Überstand verworfen und der Niederschlag in
43
3.2. Synthese der Halbleiternanokristalle (QDs) und der Komplexe mit Perylendiimid
bzw. Terrylendiimid
1 ml Chloroform gelöst. Die QD-Farbstokomplexe wurden erneut mit Methanol ausge-
fällt und zentrifugiert, um nicht gebundenen Farbsto aus den Lösungen zu entfernen.
Der Überstand wurde verworfen und die QD-Farbstokomplexe in Chloroform gelöst. Zu
Ermittlung der tatsächlich vorliegenden QD-PDI-Verhältnisse in den Lösungen wurde aus
der Absorbanz am Absorptionsmaximum des PDIs bei  = 577 nm mit dem Extinktions-
koezienten des PDIs (37 000 l mol=1 cm=1 [63]) die PDI-Konzentration bestimmt. Die
CdSe-Konzentrationen in den Komplexen wurden aus deren niederenergetischsten exzi-
tonischen Übergängen nach [111] ermittelt. Die Konzentrationen der Kern-Schale-QDs
konnten nicht aus den Absorptionsspektren extrahiert werden, sondern wurden basierend
auf der ursprünglich zur Synthese eingesetzten CdSe-Kern-Konzentration ermittelt. Dabei
wurde angenommen, dass während der Beschichtung keine Verringerung der Partikelkon-
zentration auftrat.
3.2.6. Synthese der CdTe/CdSe/ZnS-Terrylendiimid-Komplexe
Die Synthese der CdTe/CdSe-ZnS-Terrylendiimid-Komplexe wurde analog zu Vorgehens-
weise der CdSe- bzw- Kern-Schale-QD-PDI-Komplexe durchgeführt.
3.2.7. Verwendete Chemikalien
Tabelle 3.2.: Übersicht über die verwendeten Chemikalien
Substanz Spezikation Hersteller/Lieferant
Agarose ME für Elektrophorese von Makro- Alfa Aesar
molekülen
Streptavidin anity puried, lyophilized Sigma Aldrich
from 10 mM potassium phos-
phate, 13 U/mg protein
HAuCl4x 3H2O ACS Reagens Sigma Aldrich
Goldnanopartikel 40 nm Durchmesser, OD1, frei Sigma Aldrich
von Nebenprodukten
Trioctylphosphin 97% ABCR
Trioctylphosphinoxid für Synthese Merck
Tetradecylphosphon-  Michaela Wagner, Arbeits-
säure gruppe Prof. Thomas Basché
Selen 99,999% Alfa Aesar
Ölsäure  Fisher Chemical
Schwefel 99,98% Aldrich
Cadmium(II)-oxid 99,5% Sigma Aldrich
Cadmiumacetat- 98% Sigma Aldrich
Dihydrat
44
3. Experimenteller Teil
Tabelle 3.2.: Fortsetzung
Substanz Spezikation Hersteller/Lieferant
Terrylendiimid  Arbeitsgruppe Prof. Klaus
Müllen, Max-Planck-Institut
für Polymerforschung
Perylendiimid  Zhihong Liu, Arbeitsgruppe
Prof. Klaus Müllen, Max-
Planck-Institut für Polymer-
forschung
Tellur 99,999% Alfa Aesar
ZDC1 97% Aldrich
Oleylamin C18-Gehalt 80% bis 90% Acros Organics
Octadecen 90% technisch Acros Organics
Biotin-PEG2 97% nach HPLC, Oligomer Iris Biotech GmbH, PEG47058
Reinheit 95%
COOH-PEG 3 95,2% 1H-NMR, 99,3% HPLC Iris Biotech GmbH, PEG1970
(3-Aminopropyl)tri- 99% Sigma Aldrich
ethoxysilan
WSCP 4  Fabian Jung, Arbeitsgruppe
Prof. Harald Paulsen
1Zinkdiethyldithiocarbamat
2alpha-Biotin-omega-mercaptoundeca(ethylene glycol)
315-Mercapto-4,7,10,13-tertoxa-pentadecanoic acid
4Wasserlösliches Chlorophyll bindendes Protein
45
3.3. Methoden
3.3. Methoden
3.3.1. Statische Spektroskopie
Die statischen Fluoreszenzspektren wurden an einem Fluoromax-2 Spektrometer der Firma
HORIBA JOBIN YVON aufgenommen. Die statischen Absorptionsspektren wurden an einem
Omega 20 Spektrometer von BRUINS INSTRUMENTS gemessen. Für die Messungen wurden
Küvetten aus Quarzglas verwendet. Alle GNP-Proben wurden in Mikroküvetten mit einem
Volumen von 0,7 ml, alle QD-Proben bzw. QD-Farbstoproben in Küvetten mit einem
Volumen von 3,5 ml gemessen. Die Schichtdicke der Küvetten betrug 1 cm.
3.3.2. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie
Die zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen wurden an einem Fluorolog-3 Spektrometer
(HORIBA JOBIN YVON) durchgeführt.
Die Anregung der QD-Farbstokomplexe erfolgte mit einem Superkontinuumfaserla-
ser (SC-450-PP-AOTF, FIANIUM LTD). Es wurde ein Detektor mit Einzelphotonenemp-
ndlichkeit (PMA Hybrid 50, PICOQUANT) zusammen mit einem PicoHarp 300-Modul
(PICOQUANT) verwendet. Zur Ermittlung der Fluoreszenzlebensdauern des CdSe in den
Komplexen mit PDI wurden die Proben mit einer Wellenlänge von 450 nm angeregt, die
Detektionswellenlänge lag bei 550 nm. Zur Anregung des PDI in den Komplexen wurde
eine Wellenlänge von 577 nm, die Emissionswellenlänge lag bei 612 nm. Die Anregungs-
wellenlänge zur Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauern der CdTe/CdSe/ZnS-QDs in
Komplexen mit TDI lag bei 730 nm, die Detektionswellenlänge bei 750 nm.
Für die Messungen an CdTe-QDs bzw. CdTe/CdSe-QDs wurde eine 605er NanoLED
(HORIBA Scientic)verwendet. Die Detektionswellenlänge der Emission lag beim Fluores-
zenzemissionsmaximum der QDs.
Für alle Proben wurde eine Instrumentenfunktion mit einer Streuprobe aufgenommen.
Zur Ermittlung der amplitudengewichteten Fluoreszenzlebensdauern  wurde eine Sum-
me aus zeitabhängigen Exponentialfunk∑tionen I(t) als Modellfunktion verwendet [139]:
I(t) = Aiexp( t=i).
i
Dabei sind A die Amplituden und  die Fluoreszenzlebensdauern der einzelnen Kom-
ponenten i . Diese wurde mit der gemessenen Instrumentenfunktion IRF gefaltet, sodass
sich folgende Funktion IIRF (t∑) zur Ermittlung der Zerfallszeiten ergibt [171]:
IIRF (t) = Aiexp( t=i)
 IRF (t + t) + Bges .
i
Dabei ist Bges das Hintergrundsignal und t die zeitliche Verschiebung der IRF zur
Fluoreszenzabklingkurve. Die zur Auswertung verwendete IGOR Prozedur convolved de-
46
3. Experimenteller Teil
cayt v2 wurde von Dr. Mathias Haase zur Verfügung gestellt.
3.3.3. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Die TEM-Aufnahmen wurden an einem Philips EM420, einem FEI Tecnai G2 12 BioTwin,
einem FEI Tecnai G2 Spirit oder einem LEO EM906 mit einer Anregungsspannung von
120 kV angefertigt.
TEM-Probenpräparation der QDs: 10 µl einer 1  10=6 M QD-Lösung in Chloroform
oder Toluol wurden auf ein mit Kohlensto beschichtetes Kupfernetzchen getropft.
TEM-Probenpräparation der GNPs: 20 µl der GNP-Lösung wurden auf ein Stück Par-
alm getropft und das mit Kohlensto belmte TEM-Netzchen darauf platziert. Die Ad-
sorbtionszeit der GNPs lag je nach Konzentration bei 10 min bis 20 min. Das TEM-
Netzchen wurde vorsichtig vom Tropfen entfernt und mit einem fusselfreien Papiertuch
die noch auf dem Probenträger haftende Flüssigkeit abgesaugt.
Cryo-TEM: Die Aufnahmen wurden an dem FEI Tecnai G2 Spirit angefertigt. Es wur-
den Kupfernetzchen mit einem löchrigen Kohlenstolm verwendet, welche 30 s in einem
Plasma Cleaner behandelt wurden. Die Probenpräparation wurde in einem Vitrobot durch-
geführt (20 C, 80% bis 90 % Luftfeuchtigkeit). Es wurden 5 µl Probenvolumen 1 s auf
den Probenträger geblottet. Die Probe wurde in kondensiertem Propan schockgefrostet
und bis zur Messung in üssigem Sticksto aufbewahrt.
47
4. Nanoantennen für die
Fluoreszenzverstärkung des
wasserlöslichen Chlorophyll bindenden
Proteins (WSCP)
Zentrale Zielstellung der im folgenden Kapitel diskutierten Experimente und Ergebnisse
ist der Aufbau von Goldnanoantennen für die uoreszenzspektroskopische Untersuchung
des wasserlöslichen Chlorophyll bindenden Proteins (WSCP). Das WSCP für die Bindung
an citrat-stabilisierte GNPs wurde von verschiedenen Mitgliedern der Arbeitsgruppe von
Prof. Dr. Harald Paulsen vom Institut für Allgemeine Botanik der Johannes Gutenberg-
Universität Mainz zur Verfügung gestellt. Verschiedene mit Biotin markierte WSCP-
Mutanten wurden von Fabian Jung (Arbeitsgruppe von Prof. Harald Paulsen, Institut
für Botanik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz) für die Bindung an SA-stabilisierte
und Polyethylenglykol-stabilisierte GNPs zur Verfügung gestellt.
Die Goldnanoantennen bestehen aus zwei sphärischen Goldnanopartikeln (GNP-Dimer),
in deren Zwischenraum das WSCP positioniert sein soll. Im eigentlichen Sinne wird die
Fluoreszenz des im WSCP gebundenen Chlorophyll a (Chla) detektiert, der Einfachheit
halber wird aber im Folgenden der Begri des uoreszierenden WSCPs verwendet.
In vielen Veröentlichungen wird die Fluoreszenzverstärkung von Fluorophoren an im-
mobilisierten Goldnanostrukturen, mit zufälliger Orientierung und Positionierung der zu
untersuchenden Fluorophore [40, 42, 96, 172, 173] untersucht. Der Nachteil dieser Me-
thode liegt in der Unkenntnis der räumlichen Orientierung und der genauen Position der
Fluorophore an den Nanoantennen. Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Arbeit
die GNP-Dimere zunächst mit dem Fluorophor in Lösung assembliert (siehe Abschnitte
4.2 und 4.3). Nach der Assemblierung folgt die Anreicherung der Dimere in Lösung (siehe
Abschnitt 4.5). Die Dimere können dann auf funktionalisierten Glassubstraten immobili-
siert (einzelmolekül)-spektroskopisch untersucht werden (siehe Abschnitt 4.6). Die Vorteil
gegenüber der erstgenannten Vorgehensweise begründet sich zum einen in der deutlich kos-
tengünstigeren und weniger aufwendigen Probenpräparation, zum anderen sind durch die
Verknüpfung der einzelnen Goldnanopartikel durch das Fluorophor Position und Abstand
zu den GNP-Oberächen deutlich genauer bestimmt. Weiterhin sind so auch spektrosko-
pische Untersuchungen der Proben auf Ensembleniveau möglich.
48
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.1.: Skizze zur Veranschaulichung der drei gewählten Assemblierungsrouten
Das Protein WSCP ist dabei sowohl Träger des Fluorophors (Chla) als auch verbrücken-
de Einheit für die GNPs. Häug werden die GNPs mit komplementären DNA-Strängen
assembliert, welche ihrerseits zuvor mit Farbstoen markiert wurden [39, 174, 175]. In der
vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe des Einsatzes des WSCPs keine künstlich aufgebau-
ten Systeme verwendet, sondern direkt das biologisch vorkommende System untersucht.
Die Nanoantennen könnten so zukünftig auch eingesetzt werden, um die Chlorophyll-
Chlorophyll- und die Chlorophyll-Protein-Wechselwirkungen zu analysieren.
Im Folgenden werden zunächst die Voraussetzungen für eine erfolgreiche elektronische
Wechselwirkung eines Dimerplasmons mit WSCP und in diesem Zusammenhang die das
WSCP für die geplanten Untersuchungen prädestinierenden Eigenschaften diskutiert. Die
Dimere wurden auf folgenden drei Wegen aufgebaut (siehe Skizze in Abbildung 4.1):
 direkte Bindung des WSCPs an citrat-stabilisierte GNPs (I, Abschnitt 4.2),
 Bindung eines biotinfunktionalisierten WSCP an mit SA stabilisierte GNPs (II, Ab-
schnitt 4.3.1) und
 Bindung eines biotinfunktionalisierten WSCP an mit PEG-stabilisierte GNPs (III,
Abschnitt 4.3.2).
Die im Rahmen der Experimente zur Stabilisierung/Funktionalisierung und Assemblie-
rung mit WSCP verwendeten GNPs hatten Durchmesser in einem Bereich von (29  5)
nm und (52  7) nm1. GNP-Chargen mit kleinen mittleren Durchmessern zwischen (29
 5) nm und (41  6) nm kamen nur in Vorexperimenten zum Einsatz. In Experimen-
ten, welche den gezielten Aufbau von Nanoantennen mit WSCP beinhalteten, wurden
GNPs mit mittleren Durchmessern zwischen (42  7) nm und (52  7) nm eingesetzt.
1Ermittelt aus TEM-Aufnahmen (siehe Abbildung A.1)
49
4.1. WSCP und elektronische Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld
Es wurde kein unterschiedliches Verhalten der GNPs einzelner Chargen beobachtet, al-
lerdings unterscheiden sich auf Grund der variierenden mittleren Partikelgröÿen die Kon-
zentrationen der GNP-Lösungen sowie die Gesamtpartikeloberäche der Lösungen. Der
Vollständigkeit halber sind im Anhang in Abbildung A.1 TEM-Aufnahmen aller GNPs,
welche für die im folgenden vorgestellten Experimente verwendet wurden, gezeigt. Die
jeweilige GNP-Charge wird im Zuge der Vorstellung der Ergebnisse genannt. An dieser
Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass die angegebenen WSCP-GNP-Verhältnisse,
die GNP-Oberächen und die Belegungsdichte der GNPs mit SA bzw. PEG entsprechend
der an Hand von TEM-Aufnahmen ermittelten Durchmesser und den daraus resultieren-
den GNP-Konzentrationen angegeben werden (vgl. Abschnitt 3.1.1). Im Anschluss an die
Vorstellung der Ergebnisse zum Aufbau der Nanoantennen wird auf deren Anreicherung
eingegangen. Abschlieÿend werden die Ergebnisse der Experimente zur Untersuchung der
WSCP-Fluoreszenz an GNP-Dimeren vorgestellt.
4.1. WSCP und die möglichen elektronischen
Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld
Die biologische Funktion des WSCPs ist bislang nicht vollständig geklärt. Bekannt ist, dass
die Produktion des WSCPs in Panzen stressinduziert ist, was auf eine Schutzfunktion
und/oder eine Teilnahme am Degradations-/Reparaturzyklus des Photosystems hindeutet
[176]. Für die durchgeführten Experimente mit Goldnanopartikeln ist die hohe Stabilität
des Proteins von Vorteil. Diese äuÿert sich in dem Vermögen, auch extreme pH-Werte
und stundenlanges Kochen zu überstehen [60, 177]. Es existieren verschiedene WSCP-
Varianten, das in der vorliegende Arbeit verwendete ist die Variante aus Blumenkohl,
welches den Klasse II WSCPs zuzuordnen ist [178]2.
Kürzlich konnte von Bednarczyk et al. die Kristallstruktur dieses WSCPs mit gebunde-
nem Chlorophyll a aufgeklärt werden [178]. Eine mit Chimera erstellte Darstellung dieser
ist in Abbildung 4.2a gezeigt. Die Proteineinheiten bilden zusammen mit Chlorophyll Ho-
motetramere, wobei jedes Monomer ein Chlorophyll bindet. Diese Chlorophylle sind in
Abbildung 4.2a in rot dargestellt. Jeweils zwei Chla sind nah beieinander positioniert und
bilden ein Chlorophyll-Dimer. Die die Magnesiumionen verbindenden imaginären Achsen
beider Dimere sind um 81,6° relativ zueinander verdrillt (Abbildung 4.2b). In der tetrame-
ren Struktur des Proteins sind die Chlorophylle im Zentrum des Tetramers positioniert.
Die Proteinstruktur verschlieÿt den Hohlraum, in dem sich die Chlorophylle benden, fast
vollständig, sodass die Chlorophylle kaum mit Lösungsmittel interagieren können. Auÿer-
dem sind die Chlorophylle so vor dem Kontakt mit Sauersto geschützt, welcher das
2WSCPs werden in zwei Klassen unterteilt: Klasse I WSCPs ändern ihre Absorption unter Bestrahlung
mit Licht, während Klasse II WSCPs dies nicht tun [179]. Ein weiterer Vertreter der Klasse II WSCPs
ist die Variante aus Virginischer Kresse (Lepidium virginicum).
50
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.2.: a) Mit Chimera erstellte Abbildung der Kristallstruktur des verwendeten
WSCPs mit vier gebundenen Chla (rot) [178]. Die Chimera-Datei der tetra-
meren Struktur wurde von Fabian Jung aus der Arbeitsgruppe Paulsen zur
Verfügung gestellt. b) Darstellung der räumlichen Anordnung der Chloro-
phylle ohne Proteinmatrix, links: gleiche Ansicht wie in Abbildung a), rechts:
Blick von oben auf die links dargestellte Ansicht. Die Magnesiumionen sind
mit einer grauen Linie verbunden, um die Orientierung der Chlorophylle zu-
einander zu verdeutlichen. c) Molekülstruktur von Chla.
51
4.1. WSCP und elektronische Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld
Chlorophyll oxidativ zerstören kann3 [61].
In Abbildung 4.2a sind auch die Abstände zwischen den N-Termini der Proteinstruk-
tur eingezeichent, um dessen räumliche Abmaÿe zu verdeutlichen. Die gesamte Struktur
ist etwa 6,0 nm mal 7,5 nm groÿ. Wird dieses nun an die GNPs gebunden, um die Na-
noantennen aufzubauen, so gewährleistet allein die Proteinmatrix, je nach Orientierung
des WSCPs auf den GNPs, einen etwa 3,5 nm bis 5,0 nm groÿen Abstand des Chloro-
phylls zu den GNP-Oberächen, wodurch der in Abschnitt 2.1.3 genannte Energietransfer
vom Fluorophor (Chlorophyll) auf die GNPs reduziert bzw. verhindert wird. Zusammen
mit der geringen Fluoreszenzquantenausbeute von 20% [180] und der geringen Anzahl an
Chlorophyllen und deren verhältnismäÿig einfacher Anordnung bietet WSCP damit hervor-
ragende Voraussetzungen, um sowohl die Chlorophyll-Chlorophyll-Wechselwirkungen und
die Chlorophyll-Protein-Wechselwirkungen zu untersuchen [176], als auch um als Modell-
system für die Untersuchung der Wechselwirkung von Fluorophoren mit Partikelplasmonen
zu fungieren.
Wie in Abschnitt 2.1.1 diskutiert, ist die Plasmonenresonanzfrequenz von GNPs von
ihrer Gröÿe, Form und dielektrischen Umgebung abhängig. Weiterhin ändert sich die Plas-
monenresonanz, wenn zwei einzelne GNPs räumlich so nah beieinander positioniert sind,
dass deren Partikelplasmonen miteinander wechselwirken können. Es kommt auf Grund der
resonanten Streuung des einfallenden Feldes durch die GNPs zu einer Feldverstärkung des
einfallenden elektromagnetischen Feldes im Zwischenraum beider Partikel (Hot Spot).
Idealerweise soll sich das Verhältnis zwischen strahlender und nichtstrahlender Relaxation
des WSCPs an den Nanoantennen so verändern, dass sich dessen Fluoreszenzquanten-
ausbeute erhöht. Hierfür ist zum einen wichtig, dass die Fluorophore nicht zu nah an der
Oberäche der GNPs positioniert sind, da es sonst zu einem strahlungslosen Energietrans-
fer vom WSCP auf die GNPs kommen kann [34]. Dies wird, wie bereits erwähnt, durch die
räumliche Anordnung der Chlorophylle in der Proteinmatrix gewährleistet (siehe Abbildung
4.2a). Zum anderen müssen aber auch die spektroskopischen Eigenschaften der Nanoan-
tennen auf die des WSCPs abgestimmt werden. Um eine möglichst hohe Zustandsdichte
für die vom WSCP emittierten Photonen durch das plasmonische Nahfeld zur Verfügung
stellen zu können, und in Folge dessen gegebenenfalls eine Fluoreszenzverstärkung des
WSCPs zu erreichen, müssen die GNPs so gewählt werden, dass deren Plasmonenreso-
nanz im energetischen Bereich der WSCP-Fluoreszenz liegt. Dies würde eventuell zu einer
Erhöhung der strahlenden Abregungsraten des WSCPs führen, was einer Erhöhung der
Fluoreszenzquantenausbeute entsprechen würde. Die Feldstärke im Zwischenraum beider
Partikel sollte darüber hinaus an der räumlichen Position des Chla möglichst hoch sein.
Die spektroskopischen Eigenschaften der Nanoantennen und die Feldstärken sind wie-
derum abhängig von der Gröÿe und Form der Partikel und dem Abstand zwischen den
3Chlorophylle können vom angeregten Singulettzustand in den Triplettzustand übergehen, welcher vom
Triplettsauersto gelöscht wird und zu Bildung des oxidativen Singulett-Sauerstos führt, welcher
wiederum Chlorophyll oxidativ zerstört [60].
52
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Partikeln.
In Abhängigkeit von der Orientierung des WSCPs auf den GNPs und von der Funk-
tionalisierung der GNP-Oberächen für die Bindung des WSCPs können die Interpartikel-
abstände zwischen zwei GNPs variieren. Die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Inter-
partikelabstände auf den Streuquerschnitt der Dimere mit GNPs, deren Durchmesser 50
nm beträgt, werden in Abbildung 4.3 deutlich. In Abbildungsteil (a) sind Absorptions- und
Fluoreszenzspektrum des WSCPs gezeigt, in Abbildungsteil (b) sind simulierte Streuquer-
schnitte4 von GNP-Dimeren mit einem GNP-Durchmesser von 50 nm für unterschiedliche
Interpartikelabstände (Abstand der Oberächen der GNPs voneinander) zusammen mit
dem WSCP-Fluoreszenzspektrum gezeigt. Durch eine Reduktion des Interpartikelabstan-
des verschiebt sich der Streuquerschnitt wie in Abschnitt 2.1.1 erläutert, zu kleineren
Energien. Der Überlapp mit dem WSCP-Fluoreszenzspektrum ist dann gröÿer. Prinzipiell
sind aber alle gezeigten simulierten Spektren in einem gewissen Ausmaÿ mit dem Fluores-
zenzspektrum des WSCPs überlagert.
Für eine erfolgreiche Verstärkung der Fluoreszenz des WSCPs sollte auÿerdem die elek-
trische Feldstärke an der Position des Chlorophylls möglichst hoch sein. Wie in Abschnitt
2.1.1 erläutert, ist die Erzeugung eines verstärkten Feldes im Zwischenraum der beiden
GNPs des Dimers nur möglich, wenn der elektrische Feldvektor eine Komponente entlang
der Verbindungsachse des Dimers besitzt. Idealerweise ist das Licht entlang der Verbin-
dungsachse polarisiert. Zur Abschätzung der Feldverstärkungen an 50 nm groÿen Mono-
meren und Dimeren mit unterschiedlichen Interpartikelabständen sind in Abbildung 4.4
simulierte elektrische Feldverteilungen5 im Nahfeld der Nanostrukturen nach Anregung
mit einer Wellenlänge von 630 nm dargestellt. Die gezeigte elektrische Feldstärke kann
direkt als Verstärkungsfaktor des einfallenden elektrischen Feldes verstanden werden. Die
Feldverstärkung an einem Monomer (Abbildung 4.4a) ist mit einem Faktor von fünf deut-
lich geringer, als an dem mit entlang der Verbindungsachse polarisiertem Licht angeregtem
Dimer (Abbildung 4.4b). Das einfallende Feld wird im Zentrum der Lücke zwischen beiden
GNPs, also dort, wo idealerweise die Chlorophylle positioniert sind, um einen Faktor von
etwa 14 verstärkt. Wird das gleiche Dimer mit senkrecht zur Dimerverbindungsachse po-
larisiertem Licht angeregt, ist die Feldstärke im Zwischenraum der GNPs jedoch um einen
Faktor von etwa 0,5 geringer, als die Feldstärke des einfallenden Feldes, was hinsichtlich
der Untersuchung der Wechselwirkung des plasmonischen Feldes mit dem WSCP ungüns-
tig wäre. Bei der abschlieÿenden einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung ist also die
Kenntnis der Orientierung des Dimers relativ zur Anregungspolarisation zu beachten.
4Die Streuquerschnitte sind von Marcus Held in Zusammenarbeit mit Thorsten Schumacher aus der
Arbeitsgruppe von Prof. Markus Lippitz an der Universität Bayreuth simuliert worden. Details zu den
numerischen Simulationen nach der Methode der niten Elemente nden sich in [181].
5Die Feldverstärkungen sind von Marcus Held in Zusammenarbeit mit Thorsten Schumacher aus der
Arbeitsgruppe von Prof. Markus Lippitz an der Universität Bayreuth simuliert worden. Details zu den
numerischen Simulationen nach der Methode der niten Elemente nden sich in [181].
53
4.1. WSCP und elektronische Wechselwirkungen mit dem plasmonischen Nahfeld
Abbildung 4.3.: a) Fluoreszenz- und Absorptionsspektrum des verwendeten WSCP mit
Chlorophyll a (Lösungsmittel 20 mM Natriumphosphatpuer) b) WSCP-
Fluoreszenzspektrum und simulierte Streuquerschnitte4 (Summe aus longi-
tudinaler und transversaler Plasmonenmode) von GNP-Dimeren mit einem
Partikeldurchmesser von 50 nm und verschiedenen Interpartikelabständen
zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Überlapps von WSCP-Fluoreszenz
mit dem Streuspektrum der GNP-Dimere von den Interpartikelabständen der
Dimere.
54
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.4.: Feldverteilungen an GNPs mit einem Durchmesser von 50 nm und einer An-
regungswellenlänge von 630 nm5. a) Feldverteilung an einem GNP-Monomer
nach Bestrahlung mit in x-Richtung polarisiertem Licht b) Feldverteilungen
an GNP-Dimeren mit einem Abstand von 10 nm mit parallel zur Dimer-
verbindungsachse polarisiertem Licht (x-Richtung) und senkrecht zur Di-
merlängsachse polarisiertem Licht (y-Richtung). Die gezeigten elektrischen
Feldstärken können direkt als Feldverstärkung des einfallenden Feldes abge-
lesen werden. Für das Dimer bei Anregung mit parallel zu Verbindungsachse
polarisiertem Licht ergibt sich eine maximale Feldverstärkung von etwa 14,
im Falle der Anregung des Dimers mit senkrecht polarisiertem Licht wird das
Feld mit einem Faktor von 0,5 abgeschwächt.
4.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte
Goldnanopartikel
Die direkte Bindung des WSCP an die citrat-stabilisierten GNPs ist die experimentell
einfachste Methode zur Darstellung von WSCP-verknüpften GNP-Dimeren. Die metallaf-
nen Hexahistidin-Tags (His6-Tags) an den N-Termini des WSCP ermöglichen dabei die
Bindung an die GNP-Oberäche [182]. Für eine bessere sterische Zugänglichkeit der His6-
Tags an die GNP-Oberächen wurden zwischen den N-Termini und den His6-Tags Spacer
aus sechs Aminosäuren eingebaut. In Abbildung 4.5a ist die mit Chimera erstellte Oberä-
chenabbildung der Kristallstruktur des WSCP gezeigt, die N-Termnini sind rot markiert,
um die ungefähre Positionierung der His6-Tags zu verdeutlichen. In Abbildung 4.5b ist
maÿstabsgetreu für einen GNP-Durchmesser von 50 nm die prinzipielle Vorgehensweise
skizziert.
Der groÿe Vorteil dieser Vorgehensweise liegt vor allem in dem geringen apparativen
und experimentellen Aufwand. Nebenprodukte der GNP-Synthese werden vor der Bindung
an das WSCP durch Zentrifugation entfernt. Die GNPs werden in Puer gelöst und
durch einfaches Mischen mit einer WSCP-Lösung gewünschter Konzentration an dieses
gebunden. Details sind Abschnitt 3.1 zu entnehmen.
Extinktionsspektren zeigen erfolgreiche WSCP-vermittelte Aggregierung der GNPs
Zunächst soll nochmals hervorgehoben werden, dass der Änderung der Plasmonenreso-
nanfrequenz kolloidaler GNP-Lösungen zwei Ursachen zu Grunde liegen können:
55
4.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte Goldnanopartikel
Abbildung 4.5.: a) Mit Chimera erstellte Oberächenabbildung des WSCPs. Die N-Termini
sind rot markiert. An diesen bendet sich ein Spacer aus sechs Aminosäu-
ren, an welchem wiederum die His6-Tags gebunden sind. b) Maÿstabsge-
treue Skizze der WSCP-vermittelten Oligomerisierung von GNPs mit einem
Durchmesser von 50 nm.
 die Änderung der direkten dielektrischen Umgebung und
 die Bildung von GNP-Aggregaten.
Werden die GNPs mit einem hohen Überschuss WSCP versetzt, kommt es zu einer
signikanten Verschiebung des Plasmonenresonanzpeaks, wie in den Extinktionsspektren
von GNPs mit und ohne WSCP in Abbildung 4.6 zu erkennen ist. Im gezeigten Beispiel
wurden 2000 WSCPs pro GNP eingesetzt. Der mittlere Durchmesser der GNPs betrug
(42  13) nm. Pro nm2 GNP-Oberäche entspricht das 0,4 WSCPs (ein WSCP belegt
2,5 nm2 Partikeloberäche). Zusammen mit der aus Abbildung 4.2 abzuschätzenden un-
gefähren Gröÿe der Kristallstruktur des WSCPs ist also davon auszugehen, dass die GNP-
Oberäche vollständig mit WSCP gesättigt ist. Dadurch wird eine starke Quervernetzung
der GNPs durch das WSCP verhindert. Auf Grund der daraus resultierenden Änderung der
direkten dielektrischen Umgebung der GNPs kommt es zu einer Verschiebung der Plas-
monenresonanzfrequenz [76, 167], was als eindeutiger Nachweis für eine Adsorption des
WSCPs auf den GNPs angesehen werden kann.
Für eine andere Probe mit 570-fachen WSCP-Überschuss wurden TEM-Aufnahmen von
GNPs mit und ohne WSCP angefertigt (Extinktionsspektren siehe Abbildung A.2). Die
GNPs hatten einen Durchmesser von (36  5) nm und liegen damit im gleichen Bereich
wie die GNPs, welche für das eben beschriebene Experiment verwendet wurden. In Ab-
bildung 4.7 sind TEM-Übersichtaufnahmen und Detailaufnahmen der Probe ohne WSCP
(links) und der Probe mit WSCP gezeigt (rechts). Beim Einsatz von 570 WSCPs pro GNP
sind im Vergleich zum vorher vorgestellten Experiment lediglich 0,14 statt 0,4 WSCP pro
56
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.6.: Extinktionsspektren von citrat-stabilisierten GNPs mit und ohne WSCP. Im
vergröÿerten Ausschnitt ist die Verschiebung des Plasmonenresonanzmaxi-
mums deutlich erkennbar. Die GNPs ohne WSCP wurden mit der gleichen
Menge Puer versetzt wie die Probe mit WSCP (dGNPs = (42  13) nm,
TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1b).
nm2 (1 WSCP belegt 7,1 nm2 statt 2,5 nm2) Goldoberäche vorhanden. Dadurch existie-
ren freie GNP-Oberächen, sodass im Gegensatz zum oben beschriebenen Experiment ein
WSCP auch an zwei GNPs binden kann. Wie erwartet, sind auf den Aufnahmen der GNPs
mit WSCP Aggregate zu erkennen, allerdings sind auch auf den Aufnahmen der Probe
ohne WSCP GNP-Aggregate zu sehen. Dies ist auf die Art der TEM-Probenpräparation
zurückzuführen. Hierfür wurden die TEM-Netzchen für einige Minuten auf Probentröpf-
chen platziert, um eine Adsorption der GNPs auf den Probenträgern zu ermöglichen. Nach
Abnahme des Tröpfchens von den Probenträgern bleiben Flüssigkeitsreste zurück, an de-
ren Rändern sich die GNPs anreichern und beim Trocknen aggregieren (bekannt als Coee
Ring Eect). Dieser Eekt ist für citrat-stabilisierte GNPs besonders ausgeprägt [183].
Art und Anzahl der Aggregate für beide Proben können entsprechend nicht als quantita-
tiver Nachweis einer WSCP-Bindung an den GNPs herangezogen werden. Jedoch sind die
Abstände zwischen den GNPs in der Probe mit WSCP gegenüber der ohne WSCP erhöht.
In der Detailaufnahme der Probe mit WSCP sind beispielhaft einige Zahlenwerte für die
Abstände gegeben. Diese entsprechen mit 6,6 nm bis 11,6 nm den aus der Kristallstruktur
aus Abbildung 4.2a erwartbaren Abständen für ein bis zwei WSCPs zwischen den GNPs.
Zielstellung der Experimente war allerdings der Aufbau von Dimeren mit genau einem
WSCP, welches die Bindung zwischen den GNPs vermittelt. Daher wurden Proben mit
verschiedenen, deutlich geringeren WSCP-GNP-Verhältnissen angefertigt. Exemplarische
Extinktionsspektren mit Verhältnissen von 1 WSCP bis 5 WSCPs pro GNP sind in Ab-
bildung 4.8a gezeigt. Mit steigendem WSCP-Gehalt in den Proben verschiebt sich das
57
4.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte Goldnanopartikel
Abbildung 4.7.: TEM-Aufnahmen von citrat-stabilisierten GNPs mit einem Durchmesser von
40 nm ohne (links) und mit einem hohen WSCP-Überschuss (rechts). Die
höheren Abstände der Probe mit WSCP sind in der Aufnahme mit höherer
Vergröÿerung gut zu erkennen. Die ermittelten Abstände entsprechenden
den theoretischen Erwartungen bei Vorlage von ein bis zwei WSCPs zwischen
den GNPs. (dGNPs = (36  4) nm, weitere TEM-Aufnahme siehe Abbildung
A.1b, Extinktionsspektren beider Proben siehe Abbildung A.2)
58
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.8.: a) Extinktionsspektren von GNP-WSCP-Proben mit unterschiedlichen
WSCP-GNP-Verhältnissen. Je mehr WSCP pro GNP vorhanden ist, de-
sto stärker verschiebt sich das Extinktionsmaximum zu höheren Wellenlän-
gen und desto stärker ist die Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks
b) Extinktionsspektren zweier GNP-WSCP-Proben mit einem WSCP-GNP-
Verhältnis von 5:1. Beide Proben wurden unter den gleichen Bedingungen
aus der gleichen GNP-Charge dargestellt, trotzdem ist bei Versuch I eine
deutlich stärkere Aggregierung vorhanden. Zum Vergleich ist das Extinkti-
onsspektrum der GNPs in Puer ohne WSCP-Zugabe gezeigt.
Plasmonenresonanzmaximum von 533 nm (ohne WSCP) auf 535 nm, 537 nm, 541 nm
und 557 nm für die Proben mit 0,5, 1,5, 2,5 und 5 Äquivalenten WSCP. Darüber hinaus
verbreitert sich auch das Plasmonenresonanzmaximum. Beide Eekte sind auf eine Ag-
gregierung der GNPs und die daraus resultierende Wechselwirkung der Partikelplasmonen
zurückzuführen [167, 184, 185].
Leider schwankten die Ergebnisse der Experimente sehr stark, wie in an den exemplari-
schen Spektren in Abbildung 4.8b zu erkennen ist: Die beiden gezeigten Ergebnisse wurden
mit GNPs der gleichen Charge, gleicher Konzentration und gleichem Lösungsmittel an zwei
aufeinanderfolgenden Tagen erzielt. Bei Versuch I ist die Reaktion deutlich stärker aus-
geprägt als bei Versuch II. Bei einigen Experimenten fand auch gar keine Reaktion statt,
wie exemplarisch im Anhang in Abbildung A.3 gezeigt ist.
Zur Ermittlung der Ursache bzw. zur Verbesserung wurde die Reaktion bei verschie-
denen pH-Werten und Salzfrachten getestet. Auf Grund der Variation des pH-Wertes
ändert sich die Nettoladung des Proteins und der Protonierungsgrad der Citrationen auf
der GNP-Oberäche, eine Erhöhung der Salzfracht führt zur Verminderung der elektro-
statischen Abstoÿung der citrat-stabilisierten GNPs [76, 186], was eine WSCP-vermittelte
Oligomerisierung der GNPs verstärken sollte.
Da aber wie oben beschrieben, die Reaktion mit WSCP selbst bei Beibehaltung aller ex-
perimentellen Parameter nicht reproduzierbar war, waren im Rahmen dieser Experimente
59
4.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte Goldnanopartikel
Ursachen und Wirkung der geänderten Bedingungen nur schwer auszumachen. Daher soll
hier nur kurz auf die Ergebnisse eingegangen werden: Ein Einuss des pH-Wertes auf die
GNPs ohne Zugabe von WSCP konnte nicht beobachtet werden. Die Reaktion mit WSCP
lief bei pH-Werten unterhalb des isoelektrischen Punkts (pI) des WSCPs (pI 6,2; berech-
net mit ExPaSy) etwas schwächer ab, als oberhalb. Bei pH-Werten über 6,3 konnte kein
signikanter Einuss des pH-Wertes auf die Reaktion gefunden werden (die Extinktions-
spektren sind in Abbildung A.4 im Anhang gezeigt). In Bezug auf die Salzfracht bzw. die
Puerkonzentration können folgende Beobachtungen festgehalten werden: In einigen Ex-
perimenten konnte die WSCP-vermittelte Aggregation der GNPs in 10 mM Puerlösungen
beobachtet werden (Abbildung A.5a und A.5b), während in anderen Experimenten die Re-
aktion erst in 20 mM Puer stattfand (Abbildung A.5c). In einigen Fällen aggregierten die
GNPs auch in 20 mM Puer (Abbildung A.5c vs. Abbildung A.5d) ohne WSCP-Zugabe.
In reinem mq-Wasser, ohne Zugabe von Salzlösungen, konnte keine Reaktion beobachtet
werden. Der Einuss der Salzfracht konnte somit im Rahmen der durchgeführten Tests
nicht abschlieÿend geklärt werden.
Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie als Nachweismethode für die Bindung des
WSCPs an die GNPs
Mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie kann die Diusionsdynamik eines Fluoro-
phors bzw. eines mit einem Fluorophor markierten Moleküls oder Partikels untersucht wer-
den. Die Fluorophore diundieren dabei durch ein kleines Detektionsvolumen. Die zeitliche
Fluktuation des Fluoreszenzsignals, hervorgerufen durch die Diusion des Fluorophors,
wird autokorreliert [139]. Aus der Autokorrelationsfunktion lässt sich die Diusionszeit
ermitteln (eine genauere Beschreibung der Methode ndet sich im Anhang A.1.5 sowie
in [139]). Prinzipiell sollte die Diusionszeit eines an GNPs gebundenen WSCPs deutlich
gegenüber der Diusionszeit eines freien WSCPs erhöht sein, da der hydrodynamische
Radius eines GNPs deutlich gröÿer ist als der des reinen WSCPs.
Die Experimente an einer reinen WSCP-Lösung und einer Probe mit einem WSCP
zu GNP-Verhältnis von 5 zu 1 wurden von Marcus Held durchgeführt [187]. Abbildung
4.9a zeigt die normierten Korrelationsfunktionen der reinen WSCP-Lösung und der Probe
mit den WSCP-GNP-Aggregaten. Die Korrelationsfunktion der Probe mit den WSCP-
GNP-Aggregaten uktuiert bei kleinen Zeiten sehr stark. Dies ist auf die geringe WSCP-
Konzentration in der Probe zurückzuführen. In Abbildung 4.9b sind die Zeitspuren beider
Proben gezeigt. Die Zeitspur der WSCP-GNP-Probe weist intensive Signalspitzen, zwi-
schen denen die Photonenzählrate auf 0 abfällt, auf. Das Signal der Zeitspur der reinen
WSCP-Lösung fällt nicht auf 0 ab, sondern liegt bei etwa 24 Photonen pro 100 ms. Ur-
sache hierfür ist die deutlich höhere WSCP-Konzentration der reinen WSCP-Lösung im
Vergleich zu GNP-WSCP-Probe. Zu jedem Zeitpunkt der Messung diundieren WSCP-
Moleküle durch das Fokusvolumen, was bei den GNP-WSCP-Aggregaten nicht der Fall
60
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.9.: a) Diusionskorrelationen von reinem WSCP und an GNPs gebunden-
dem WSCP b) Photonenzählraten des WSCP und des an GNPs gebun-
denem WSCP c) Exemplarische Fluoreszenzemissionsspektren, welche wäh-
rend der Messung aufgenommen wurden. Links: WSCP-GNP-Aggregate,
rechts: WSCP. Die Intergrationszeit betrug 1 s.
ist. Die intensiven Peaks stammen vermutlich von groÿen Aggregaten, welche zum einen
mehrere WSCPs beinhalteten und zum anderen langsamer durch das Fokusvolumen dif-
fundiert sind. In Abbildungsteil (c) sind zusätzlich Emissionsspektren der Probe gezeigt,
welche dem Nachweis der WSCP-Fluoreszenz dienen. Sowohl in der Probe mit den Aggre-
gaten als auch in der Probe mit reinem WSCP konnten zu jedem Zeitpunkt der Messung
die gezeigten WSCP-Fluoreszenzemissionsspektren detektiert werden. Die Verschiebung
der Korrelationskurve im Falle der GNP-WSCP-Aggregate ist damit eindeutig auf eine
verlängerte Diusionszeit des WSCPs zurückzuführen, was wiederum auf die Bindung des
WSCPs an die deutlich langsamer diundierenden GNPs bzw. GNP-Aggregate zurückzu-
führen ist.
61
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Fazit
Die direkte Anbindung des WSCP über dessen His6-Tags an citrat-stabilisierte GNPs ge-
lang in 10 mM bis 20 mM Salzlösungen. Die Bindung des WSCPs an die GNPs konnte
an Hand der WSCP-konzentrationsabhängigen Verschiebung der Plasmonenresonanzfre-
quenz von 533 nm (ohne WSCP) auf 557 nm (5 Äquivalente WSCP) und der Verbreiterung
des Resonanzpeaks sowie mit Hilfe von FCS-Messungen eindeutig nachgewiesen werden.
Der pH-Wert in einem Bereich von 6,3 bis 8,0 hatte keinen Einuss auf das Ausmaÿ der
Reaktion, bei pH-Werten unterhalb des pIs von WSCP (6,2) läuft die Reaktion tendenziell
etwas schwächer ab.
Da die citrat-stabilisierten GNPs auf den TEM-Netzchen während der Probenprä-
paration aggregieren, konnte die in den Extinktionsspektren beobachtete Aggregation
nicht mit Ergebnissen aus TEM-Aufnahmen korreliert werden. Die im Vergleich zu citrat-
stabilisierten GNPs erhöhten Interpartikelabstände bei sehr hohen WSCP-GNP-Verhältnissen
bewiesen aber zumindest qualitativ eine erfolgreiche Bindung und Verbrückung der citrat-
stabilisierten GNPs mit WSCP.
Insgesamt erweist sich die Citratstabilisierung der GNPs als nicht optimal, da eine un-
erwünschte Aggregierung während der erwünschten Assemblierung der GNPs mit WSCP
nicht komplett verhindert werden kann. Dies ist auch im Hinblick auf die folgende Anrei-
cherung der Dimere relevant: Eine Anreicherung mit Hilfe von Gelelektrophorese ist auf
Grund der benötigten ionischen Lösungsmittel nicht möglich, da die Ionen die elektrosta-
tische Abstoÿung der GNPs reduzieren und die GNPs aggregieren.
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an
Goldnanopartikel
Die im vorangestellten Abschnitt vorgestellte direkte Bindung des WSCPs an citrat-
stabilisierte GNPs hat neben dem Vorteil der sehr einfachen und schnellen Assemblierung
ohne zusätzliche Reagenzien den groÿen Nachteil der Empndlichkeit gegenüber äuÿeren
Einüssen, wie beispielsweise Verunreinigungen des Lösungsmittels oder, bedingt durch
die unbekannte exakte Partikelkonzentration (vgl. Abschnitt 3.1.1), von Experiment zu
Experiment variierende Salzfrachten pro GNP. Desweiteren erlaubt der Assemblierungs-
weg keine weitere Variation der Interpartikelabstände. Daher wurden die GNPs zunächst
mit anderen Liganden passiviert und die passivierten GNPs im Anschluss mit WSCP as-
sembliert.
Die Bindung des WSCPs an die GNPs wurde in der vorliegenden Arbeit neben der
direkten Bindung des Proteins an die GNP-Oberächen (siehe Abschnitt 4.2) auch mit
Hilfe der bereits vielfach eingesetzten Biotin-Streptavidin-Bindung realisiert [188191].
Zur Assemblierung der GNPs wurden diese zunächst auf zwei verschiedenen Wegen mit
Streptavidin (SA) stabilisiert (siehe Abbildung 4.1): zum einen wurde SA direkt an die
62
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
GNPs gebunden und fungierte sowohl als passivierende Schicht für die GNPs als auch als
funktionelle Einheit zur Bindung des WSCPs. Zum anderen wurden die GNPs zunächst
mit einer Mischung aus Biotin- und Carboxylat-PEG-Thiolen stabilisiert. An die Biotin-
PEGs wurde in einem zweiten Schritt SA gebunden. Im Anschluss wurden die mit PEG
stabilisierten SA-funktionalisierten GNPs mit WSCP zur Reaktion gebracht. WSCP wurde
durch Zugabe eines Überschusses von NHS-Biotin6 an den primären Aminofunktionen
in der Proteinstruktur mit Biotin funktionalisiert. Das Biotin-WSCP wurde von Fabian
Jung (Arbeitsgruppe Prof. Harald Paulsen, Johannes Gutenberg-Universität Mainz) zur
Verfügung gestellt.
Die Streptavidin-Biotin-Bindung ist mit einer Dissoziationskonstante von nur 1  10=15 M
eine der stärksten nicht-kovalenten Bindungen [192]. Streptavidin ist ein Homotetramer.
Jedes der vier Monomere kann ein Äquivalent Biotin binden. Es wurde bereits gezeigt,
dass die vier Monomereinheiten dabei thermodynamisch und kinetisch autonom reagieren
[193]. Für die durchgeführten Experimente ist dies von Vorteil, da es nicht entscheidend
ist, welche der vier Monomereinheiten für die Bindung an das Biotin-WSCP zur Verfügung
steht, bzw. ob das SA bereits an die GNPs gebunden ist, bevor die Bindung an das WSCP
erfolgt. Des weiteren kann die Bindung von Biotin an SA in einem weiten pH-Bereich
durchgeführt werden und ist ebenso auch in einem weiten pH-Bereich stabil [191].
Die Kristallstruktur des SA-Tetramers, des SA-Monomers mit einem gebunden Biotin-
molekül, sowie die Molekülstruktur des Biotins sind in Abbildung 4.10 gezeigt[192]. In der
Tetramerstruktur sind Abstände eingezeichnet, an Hand derer die ungefähre Ausdehnung
eines SA-Tetramers zu etwa 3 nm mal 5 nm abgeschätzt werden kann. Bei Assemblierung
der GNPs unter zusätzlicher Einbringung des SAs sollten sich die Interpartikelabstände
gegenüber der direkt WSCP-vermittelten Assemblierung aus Abschnitt 4.2 deutlich ver-
gröÿern. In Folge dessen ist zu erwarten, dass sich bei Bestrahlung die Feldstärke zwischen
den Partikeln verringert, wie in Abschnitt 4.1 diskutiert. Auÿerdem sollte die stark abstand-
sabhängige longitudinale Plasmonenresonanz weniger stark zu niedrigeren Energien ver-
schoben sein, da die Partikelplasmonen weniger stark miteinander wechselwirken. Daraus
ergeben sich für die Wechselwirkung des Dimerplasmons mit WSCP folgende Konsequen-
zen: Einerseits ist ein strahlungsloser Energietransfer auf einen Goldnanopartikel weniger
wahrscheinlich, da der Abstand zwischen GNP und Chlorophyll deutlich vergröÿert wird.
Andererseits ist die energetische Überlappung der Streufrequenz der longitudinalen Dimer-
mode mit der Fluoreszenz des WSCPs geringer, wodurch die Anregungsrate des WSCPs
nicht so stark erhöht wird und die Dichte optischer Zustände geeigneter Energie im plas-
monischen Nahfeld geringer ist, sodass eine geringere Fluoreszenzverstärkung zu erwarten
ist.
Im Folgenden werden zunächst die Ergebnisse der SA-Stabilisierung und der anschlie-
ÿenden Assemblierung mit WSCP vorgestellt. Im Anschluss wird auf die Ergebnisse der
6N-Hydroxysuccinimid-Ester EZ-LinkTM NHS-LC-LC-Biotin (ThermoFisher Scientic, Rockford, USA)
63
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.10.: Links: mit Chimera erstellte Kristallstruktur eines SA-Tetramers [192]. Die
eingezeichneten Abstände sollen einen Eindruck von der räumlichen Aus-
dehnung des Proteins vermitteln. Mitte: SA-Monomer mit einem in Ku-
gelform dargestellten gebundenem Biotin-Molekül [192]. Das Biotin sitzt
tief in der Bindungstasche des SA-Monomers. Rechts: Molekülstruktur von
Biotin.
WSCP-Bindung an PEG-stabilisierte und mit SA funktionalisierten GNPs eingegangen.
4.3.1. Assemblierung Streptavidin-stabilisierter GNPs
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der Bindung des WSCPs an SA-passivierte
bzw. -funktionalisierte GNPs diskutiert. SA adsorbiert unter Beibehaltung seiner Biotin-
Bindungseigenschaften irreversibel auf planaren Goldoberächen [194, 195]. Die Zeit bis
zur maximalen Belegung von Goldoberächen wird mit 10 min bis 15 min angegeben. Da
die Adsorption unabhängig vom isoelektrischen Punkt des SA (pI = 6,0 [196]) in einem pH-
Wertbereich von 3 bis 11 stattndet, ist davon auszugehen, dass ionische Wechselwirkun-
gen der Goldoberäche mit dem Protein keine signikante Rolle bei der Adsorption spielen
sollten. Die Bindung ist entweder auf hydrophobe Wechselwirkungen zurückzuführen, oder
auf die Bindung von Gold komplexierende funktionelle Gruppen (z. B. primärer Amine)
[194]. SA wurde bereits zur Passivierung von GNPs eingesetzt [197200]. SA-passivierte
GNPs sind im Vergleich zu citrat-stabilisierten GNPs unempndlicher gegenüber äuÿeren
Einüssen wie zum Beispiel der Salzkonzentration im Lösungsmittel [200].
Die prinzipielle Vorgehensweise ist in Abb. 4.11 skizziert. Die mit einer Monolage SA
passivierten GNPs werden mit Biotin-funktionalisiertem WSCP assembliert. Dabei ent-
stehen WSCP-GNP-Monomere, -Dimere, -Trimere, usw. Die Schwierigkeiten bestehen
zunächst in der Ermittlung des notwendigen SA-GNP-Verhältnisses und der geeigneten
64
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.11.: Maÿstabsgetreue Skizze zur Bindung des WSCPs an SA-GNPs; der GNP-
Durchmesser beträgt 50 nm. Die SA-GNPs werden mit einer biotinylier-
ten WSCP-Variante zur Reaktion gebracht, dabei entstehen unterschied-
lich groÿe GNP-Aggregate. Idealerweise sollte ein Dimer mit genau einem
WSCP verknüpft sein.
Reaktionsbedingungen zur SA-Stabilisierung der GNPs. Ausserdem muss überschüssiges
SA aus den SA-GNP-Lösungen entfernt werden. Ist freies SA in den Lösungen vorhanden,
reagiert dieses mit dem WSCP, wodurch das WSCP nicht mehr für die Assemblierung der
SA-GNPs zur Verfügung steht. Idealerweise verbrückt ein WSCP genau zwei GNPs.
Ein Streptavidintetramer passiviert etwa 4 nm2 Goldnanopartikeloberäche
Zunächst muss ermittelt werden, wieviele SA-Tetramere pro nm2 GNP-Oberäche not-
wendig sind, damit die GNPs von einer vollständigen Monolage des Proteins bedeckt sind.
Reicht die SA-Menge nicht aus, so kann ein SA, wie in Abbildung 4.12 skizziert, auch
zwei GNPs miteinander verbinden. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass die vollstän-
dige Passivierung der GNP-Oberäche zeitlich schneller abläuft, als die Quervernetzung
mehrerer Partikel. In der Literatur variieren die Angaben, wieviel nm2 GNP-Oberäche
ein SA besetzt, in einem Bereich von 2 nm2 [200] bis 40 nm2 [197]. Aus der in Abbil-
dung 4.10 gezeigten Kristallstruktur des SA wäre, je nach Orientierung des SAs auf den
GNP-Oberächen, von einer SA-Belegung von 3 nm2 bis etwa 20 nm2 auszugehen.
Abbildung 4.13a zeigt Extinktionsspektren von Goldnanopartikeln mit einem mittleren
Durchmesser von (43  7) nm, welche nach der in Abschnitt 3.1 angegebenen Vorschrift
65
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.12.: Maÿstabsgetreue Skizze zweier Goldnanopartikel (d = 50 nm), welche auf
Grund der unvollständigen SA-Belegung mit SA vernetzt werden.
Tabelle 4.1.: Übersicht zur Ermittlung des notwendigen Verhältnisses von SA zu GNP-
Oberäche zur vollständigen Passivierung der GNP-Oberäche mit SA
SA / nm2 SA:GNP max Ursache Verschiebung von max
0 0:1 535 nm 
0,002 12:1 540 nm leichte Aggregierung
0,02 122:1 608 nm starke Aggregierung
0,2 1216:1 539 nm vollständige Passivierung, Änderung der
dielektrischen Umgebung
0,4 2433:1 539 nm vollständige Passivierung, Änderung der
dielektrischen Umgebung
mit unterschiedlichen Mengen SA inkubiert wurden7. Dabei wurden 0,002 SA (1 SA pro
484 nm2, 1 GNP: 12 SA), 0,02 SA (1 SA pro 48 nm2, 1 GNP: 122 SA) und 0,2 SA (1
SA pro 4,8 nm2, 1 GNP: 1216 SA) sowie 0,4 SA (1 SA pro 2,4 nm2, 1 GNP: 2433 SA)
pro nm2 Partikeloberäche eingesetzt. In Tabelle 4.1 sind die SA-GNP -Verhältnisse und
die daraus resultierenden Belegungsdichten zusammengefasst.
Bei Verwendung von 0,002 SA pro nm2 (rote Kurve in Abbildung 4.13a) aggregieren
die Partikel geringfügig, was an der leicht erhöhten Absorption bei Wellenlängen gröÿer
als 600 nm gegenüber der Extinktion citrat-stabilisierter GNPs erkennbar ist (graue Kurve
in Abbildung 4.13a). Bei Verwendung von 0,02 SA pro nm2 kommt es zu einer stärkeren
Aggregierung der Partikel (schwarze Kurve in Abbildung 4.13): Das Resonanzmaximum
liegt bei einer deutlich höheren Wellenlänge, die Extinktion ist über einen weiten Wellen-
längenbereich erhöht. Bei beiden Proben ist diese Aggregierung auf die in Abbildung 4.12
skizzierte Vernetzung mehrerer Partikel durch das SA zurückzuführen. Die beiden Spek-
tren der Varianten 0,2 SA und 0,4 SA pro nm2 verschieben sich, wie aus der Literatur
für vollständige Belegungen von Goldnanopartikeln mit Proteinmonolagen bekannt [76,
167], um etwa 4 nm zu höheren Wellenlängen. Wie in Abbildung 4.13b erkennbar, ändern
7Eine TEM-Aufnahme dieser GNPs ist in Abbildung A.1c gezeigt.
66
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.13.: a) Extinktionsspektren zur Ermittlung der benötigten SA-Menge pro nm2
Partikeloberäche. Bei wenig SA (0,002) aggregieren die Partikel leicht
(rote Kurve). Wird mehr SA hinzugegeben, ist eine deutlich stärkere Ag-
gregierung zu beobachten (schwarze Kurve). b) Ist die SA-Menge ausrei-
chend, um die Partikel mit einer kompletten Monolage zu bedecken, kommt
es lediglich zu einer Verschiebung der Plasmonenresonanzfrequenz. Dabei
ändert sich die Form des Spektrums nicht. Das Spektrum kann durch Ver-
schieben entlang der x-Achse von 539 nm im Maximum auf 535 nm im
Maximum mit dem Spektrum der citrat-stabilisierten Partikel zur Deckung
gebracht werden. c) Foto von SA- (links) und citrat-stabilisierten (rechts)
GNPs nach Zugabe von Natriumphosphatpuer (pH 7,8). Die Puerkon-
zentration betrug etwa 30 mM. Die Aggregation der citrat-stabilisierten
Partikel ist deutlich an der Entfärbung der Lösung zu erkennen.
67
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
sich dabei weder die Form noch die Breite des Peaks signikant, sodass das Spektrum der
SA-stabilisierten Partikel durch Verschiebung entlang der x-Achse deckungsgleich mit dem
Spektrum der citrat-stabilisierten Partikel übereinandergelegt werden kann. Die Verschie-
bung des Resonanzpeaks unter Beibehaltung seiner Form ist nicht auf eine Aggregierung
der GNPs sondern auf die in Kapitel 2.1.1 erläuterte Abhängigkeit der Resonanzfrequenz
von der direkten dielektrischen Umgebung der Partikel zurückzuführen.
Zur Überprüfung der vollständigen Passivierung kann auÿerdem ein Fällungstest durch-
geführt werden, in dem den GNP-Lösungen Salzlösungen zugegeben werden. Citratsta-
bilisierte GNPs aggregieren, wie in Abschnitt 2.1.2 gezeigt, in Puerlösungen auf Grund
der Reduzierung der elektrostatischen Abstoÿung. In Abbildung 4.13c ist ein Foto eines
solchen Tests gezeigt. In beiden Gefäÿen betrug die Natriumphosphatpuerkonzentration
30 mM (pH 7,8). Es ist deutlich zu erkennen, dass die mit SA passivierten Partikel nicht
aggregieren, die citrat-stabilisierten Partikel hingegen sogar so stark aggregiert sind, dass
die Lösung fast farblos ist.
Überschüssiges SA kann mit Zentrifugation entfernt werden
Da bei der WSCP-vermittelten Assemblierung der SA-GNPs freies SA stören würde, muss
sichergestellt sein, dass die Proben auch Zentrifugationsschritte zur Entfernung von über-
schüssigem SA überstehen. Die SA-GNPs sedimentieren während der Zentrifugation, über-
schüssiges SA bendet sich im Überstand und kann mit diesem abpipettiert werden. Die
Extinktionsspektren der Proben sollten sich in Folge der Zentrifugation nicht ändern, sonst
muss davon ausgegangen werden, dass sich in Folge der Zentrifugation Aggregate bilden
(Verschiebung des Resonanzmaximums zu höheren Wellenlängen), oder sich SA von der
GNP-Oberäche löst (Verschiebung zu niedrigeren Wellenlängen).
Die Extinktionsspektren der Proben im Anschluss an einen solchen Waschschritt sind
in Abbildung 4.14a zusammengefasst. Die Spektren nach einmaliger Zentrifugation und
Suspendierung für die verschiedenen SA-Belegungsdichten sind gezeigt, wobei auf die Dar-
stellung der Probe mit 0,4 SA pro nm2 GNP-Oberäche aus Gründen der Übersichtlichkeit
verzichtet wurde. Diese verhielt sich wie die Probe mit 0,2 SA pro nm2. Für die Probe
mit 0,002 SA pro nm2 Partikeloberäche nimmt die Aggregierung wie zu erwarten leicht
zu, da die Partikel auf Grund des Zentrifugationsvorgangs in gröÿerer Nähe zueinander
gebracht werden und so eine weitere Vernetzung durch das SA begünstigt wird. Die Pro-
be mit 0,02 SA pro nm2 war nach der Zentrifugation so stark aggregiert, dass nicht alle
GNPs in Lösung gebracht werden konnten. Deshalb konnte kein Extinktionsspektrum der
vollständigen Probe aufgenommen werden und das Extinktionsspektrum ist in der Abbil-
dung nicht dargestellt. Ist die Oberäche der Partikel hingegen vollständig passiviert, wie
es für die Probe mit 0,2 SA pro nm2 der Fall ist, sind, wie in Abbildungsteil (b) auÿerdem
gezeigt, die Spektren auch nach zwei Waschschritten deckungsgleich mit denen der nicht
gewaschenen Proben.
68
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.14.: a) Extinktionsspektren von SA-funktionalisierten GNPs vor (durchgezogene
schwarze Linien) und nach einmaligem Zentrifugieren und Resuspendieren
(graue gestrichelte Linien). Die Probe mit sehr wenig SA (obere Spektren)
aggregiert durch die Zentrifugation stärker. Die Probe mit 0,03 SA pro nm2
war so stark aggregiert, dass nicht alle GNP-Aggregate in Lösung gebracht
werden konnten. Daher ist diese Probe hier nicht aufgeführt. Die Probe mit
einer kompletten Monolage SA (unteres Spektrum) zeigt keinerlei spektrale
Veränderung. b) Auch nach zweimaliger Zentrifugation ändert sich das
Spektrum nicht, wenn die GNPs vollständig passiviert sind.
69
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.15.: Extinktionsspektren von citrat-stabilisierten und zweimal gewaschenen SA-
stabilisierten GNPs unterschiedlicher Chargen mit leicht variierenden mitt-
leren Durchmessern: a) (43  7) nm, b) (46  4) nm, c) (47  7) nm,
d) (53  7) nm. Im Fall der in a) bis c) eingesetzten GNPs sind Spektren
von SA-stabilisierten GNPs mehrerer Versuchsansätze gezeigt.
Da die Bestimmung der Gesamtpartikeloberäche einer GNP-Lösung auf Grund der
ungenauen Bestimmung der mittleren Partikelgröÿen und der Partikelkonzentration feh-
lerbehaftet ist (vgl. Abschnitt 3.1.1), wurden die Experimente zur Stabilisierung der GNPs
mit SA immer mit einem SA-Überschuss von 0,5 SA-Tetrameren pro nm2 Partikelober-
äche durchgeführt.
Die in Abbildung 4.15 gezeigten Extinktionsspektren von citrat-stabilisierten und zwei-
mal gewaschenen SA-stabilisierten GNPs (mit 0,5 SA pro nm2 Partikeloberäche) bewei-
sen die gute Reproduzierbarkeit der Stabilisierung der GNPs mit SA. Die GNPs der Ab-
bildungen 4.15a bis d stammen dabei aus unterschiedlichen GNP-Syntheseansätzen und
haben daher leicht variierende mittlere Durchmesser ( a) (43  7) nm, b) (46  4) nm,
c) (47  7) nm, d) (53  7) nm.). Die GNPs der Abbildungen a bis c wurden in mehreren
Versuchen mit SA stabilisiert. In allen Experimenten verschob sich das Plasmonenreso-
nanzmaximum unter Beibehaltung von Form und Breite des Plasmonenresonanzpeaks um
4 nm bis 5 nm.
70
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.16.: a) Exemplarische TEM-Aufnahmen von SA-stabilisierten GNPs ohne und
nach zweimaligem Waschen (Extinktionsspektren siehe Abbildung 4.15b).
b) Histogramm mit Standardabweichungen aus drei verschiedenen SA-
GNP-Ansätzen, welche über einen Zeitraum von sechs Monaten synthe-
tisiert wurden. Für jeden der drei Ansätze wurden insgesamt über 600 Par-
tikel ausgezählt. Pro TEM-Probe wurden mindestens 194 Partikel gezählt.
Die mittlere Durchmesser der GNPs waren (43  7) nm und (46  4) nm.
Mit Hilfe von TEM-Aufnahmen wurde zusätzlich überprüft, ob SA-GNP-Monomere
vorliegen. Hierzu wurden von nicht zentrifugierten, einmal zentrifugierten und zweimal
zentrifugierten SA-GNPs TEM-Aufnahmen angefertigt. Die SA-Beschichtung ermöglicht
eine einfachere TEM-Probenpräparation als für die citrat-stabilisierten GNPs, da die Parti-
kel schneller auf den TEM-Netzchen adsorbieren und so Trocknungsartefakte vermindert
werden. In Abbildung 4.16 sind exemplarische TEM-Aufnahmen von SA-GNPs, welche
nicht gewaschen wurden, und SA-GNPs, welche zweimal gewaschen wurden, gezeigt. Es
ist zu erkennen, dass, wie anhand der Spektren erwartet, die meisten Partikel als Monome-
re vorliegen. Für das ebenfalls dargestellte Histogramm wurden TEM-Aufnahmen aus drei
über einen Versuchszeitraum von sechs Monaten durchgeführten verschiedenen Versuchen
ausgewertet. Dabei wurden sowohl GNPs einer anderen Charge als auch SA einer ande-
ren Charge verwendet. Von jeder Probe wurden mindestens 194 Partikel bzw. Aggregate
gezählt. In allen Proben waren hauptsächlich Monomere vorhanden, durch das zweimalige
Zentrifugieren änderte sich die Zusammensetzung nur geringfügig. Dies spricht auch für
eine gute Reproduzierbarkeit der gewählten Route zur Passivierung der GNPs mit SA.
Abschlieÿend ist festzuhalten, dass GNPs mit nominell 0,2 SA pro nm2 Partikeloberä-
che passiviert werden können. Diese Passivierung ist auch nach zweimaliger Zentrifugation
71
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
intakt. Ein SA belegt etwa 2,4 nm2 bis 4,8 nm2 Partikeloberäche, was in etwa der in [200]
gefundenen Belegung entspricht, und gut zu der aus der Kristallstruktur abgeschätzten
Gröÿe eines SA-Tetramers passt (siehe Abbildung 4.10).
Versuche zur Optimierung der SA-Stabilisierung
Es wurde gezeigt, dass 0,2 SA pro nm2 Partikeloberäche ausreichen, um eine vollstän-
dige Passivierung der Partikel zu gewährleisten, welche auch nach zweimaligem Waschen
noch intakt ist. Die oben diskutierten Versuche wurden bei pH 7,8 durchgeführt. Bei die-
sem pH-Wert liegen sowohl SA als auch die Citratreste auf den GNPs negativ geladen
vor, wodurch die Bindung des SAs an die GNPs eventuell erschwert wird. Daher sollen
im folgenden Abschnitt kurz die Ergebnisse von Versuchen bei geänderten pH-Werten
vorgestellt werden.
Zunächst wurde getestet, ob die Bindung auch in mq-Wasser oder in Natriumphos-
phatpuer bei pH = 6 (entspricht etwa dem pI des SA [196]) möglich ist. Folgende
Überlegungen wurden angestellt:
 Bindung in mq-Wasser, pH < 6,0: Die citrat-stabilisierten GNPs sind empndlich
gegenüber Salzlösungen, da die elektrostatische Abstoÿung der Partikel nicht mehr
ausreichend hoch ist, um diese stabil in Lösung zu halten und die Partikel aggregie-
ren, eventuell schon vor der Passivierung mit SA. Dieses Problem könnte umgangen
werden, wenn die Reaktion auch in mq-Wasser funktioniert.
 Bindung am iP des SA bei pH 6: Da beide Bindungspartner bei diesem pH-Wert
nicht so stark negativ geladen sein sollten wie bei einem pH von 7,8, läuft die
Bindung des SAs eventuell schneller ab. Möglicherweise wird dann weniger SA zur
Passivierung notwendig. Von Herstellern citrat-stabilisierter Partikel wird empfohlen,
Proteine im Bereich ihres pIs an die GNPs zu binden [201]. Auch in [198] wurde die
Bindung von SA an GNPs am isoelektrischen Punkt des SA durchgeführt.
In Abbildung 4.17a ist ein Foto mit SA-GNP-Mischungen in mq-Wasser, in Natriumphos-
phatpuer bei pH 6,0 und 7,8 sowie mit citrat-stabilisierten GNPs in mq-Wasser gezeigt.
Die Aggregierung der Partikel in mq-Wasser und in Puer bei pH 6,0 ist deutlich an Hand
der bläulich-gräulichen Farbe zu erkennen. Die Suspension bei pH 7,8 erscheint leicht
dunkler gefärbt als die Probe mit den citrat-stabilisierten Partikeln, was auf die oben dis-
kutierte Verschiebung des Extinktionsspektrums auf Grund der veränderten dielektrischen
Umgebung durch die Belegung der Partikel mit SA zurückzuführen ist. Da die Partikel
auch in mq-Wasser nach Zugabe von SA aggregieren, ist die Salzfracht bei pH 6,0 nicht
für die Aggregierung der GNPs verantwortlich, sondern die Wechselwirkung der GNPs
mit SA. Dies steht auch im Einklang mit den in [194] gemachten Beobachtungen, dass
SA an planaren GNPs in einem weiten pH-Wertbereich adsorbiert. Werden die Lösungen
mit Puer mit pH 7,8 so aufgefüllt, dass der nale pH-Wert gröÿer als 7,4 ist, färben
72
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
sich die beiden zuvor bläulichen Lösungen wieder rötlich, was auf eine Desaggregation
der GNPs hindeutet. Auch die Extinktionsspektren dieser Lösungen, gezeigt in Abbildung
4.17b, lassen an Hand der leichten Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks nur auf ei-
ne moderate Aggregierung schlieÿen. Auf Grund der gemachten Beobachtungen ist davon
auszugehen, dass bei den niedrigen pH-Werten die negative Nettoladung des SAs nicht
ausreicht, um die Partikel stabil in Lösung zu halten. Ist das Protein nach der Erhöhung
des pH-Werts nach auÿen wieder negativer geladen, nimmt die elektrostatische Abstoÿung
zu und die Partikel sind zu einem Groÿteil suspendiert.
Abbildung 4.17.: Links: a) Fotos von GNPs mit SA bei unterschiedlichen Reaktionsbedingun-
gen. b) Nach Zugabe von Puer mit pH 7,8 zu den Proben in mq-Wasser
und pH 6,0 desaggregieren die Partikel fast vollständig, zu erkennen an
der Färbung von grau-blau nach rötlich-pink (siehe Pfeile). Rechts: Extink-
tionsspektren der Proben aus dem unteren Foto. Auch die Spektren deuten
auf eine nur noch geringe Aggregierung der Partikel hin. (dGNPs = (43 
7) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1c)
Für die geplante Verbrückung der SA-stabilisierten GNPs ist dieses Ergebnis aus den
eingangs genannten elektrostatischen Gründen ungünstig. Daher wurde versucht, zumin-
dest die bereits stabilisierten GNPs in Puer mit einem geringeren pH-Wert von 7 zu
überführen.
Die Extinktionsspektren der Lösungen bei pH 7,8 und pH 7,0 sind in Abbildung 4.18
gezeigt. Die Probe 0x gewaschen bezeichnet dabei die SA-stabilisierten GNPs in 10 mM
Puer bei pH 7,8 ohne Zentrifugation. Die Probe wurde nach dem ersten Zentrifugati-
onsvorgang in 20 mM Puer bei pH 7,8 suspendiert und erneut zentrifugiert. Die zweimal
zentrifugierten SA-GNPs wurden dann auf zwei Probengefäÿe aufgeteilt. Eine Hälfte der
Probe wurde in 20 mM Natriumphosphatpuer mit pH 7,0, die andere Hälfte in 20 mM
Natriumphosphatpuer mit pH 7,8 suspendiert. Während die Probe bei pH 7,8 auch nach
zwei Waschschritten immer noch ein fast deckungsgleiches Spektrum mit der Probe ohne
Waschschritt zeigt, aggregieren die Partikel bei pH 7,0 (erkennbar an der Verbreiterung des
Plasmonenresonanzpeaks). Zusammen mit der Beobachtung, dass auch bei Versuchen,
die Partikel nach dem Zentrifugieren in mq-Wasser zu lösen, die GNPs aggregierten, lässt
sich schlussfolgern, dass die Aggregierung hier durch den pH-Wert hervorgerufen wird,
73
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
und nicht auf eventuelle Verunreinigungen des Puers oder Ähnliches zurückzuführen ist.
Abbildung 4.18.: Extinktionsspektren von SA-GNP-Lösungen. Die Partikel wurden nach dem
jeweiligen Waschschritt in den entsprechenden Puern suspendiert. Bei pH
7,8 ändert sich die Extinktion der Lösungen gegenüber denen der SA-GNPs
ohne Waschschritte nur sehr geringfügig, bei pH 7,0 aggregieren die SA-
GNPs. (dGNPs = (43  7) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1c)
Zusammenfassend lassen sich folgende Ergebnisse festhalten: Die GNPs lassen sich nur
bei pH-Werten um 8,0 mit SA passivieren, und die so erhaltenen SA-stabilisierten GNPs
sind auch nur in diesem pH-Bereich stabil. Ist der pH-Wert niedriger, bindet SA oenbar
an die GNP-Oberäche, allerdings werden die Partikel auf Grund der zu geringen negativen
Nettoladung des Proteins nicht stabil in Lösung gehalten. Die Bindung des SAs auch bei
niedrigeren pH-Werten ist an Hand der Reversibilität der Aggregation zu erkennen.
Assemblierung SA-stabilisierter GNPs mit WSCP
Zur Bindung des WSCPs an die SA-stabilisierten GNPs wurde das WSCP mit einem
Biotin-NHS-Ester umgesetzt, welcher prinzipiell alle primären Aminofunktionen in der
Proteinstruktur mit Biotin-Gruppen versieht [202]. Dabei ist das Biotin in der nalen
Proteinstruktur durch einen etwa 3 nm langen Spacer von der eigentlichen Proteinstruk-
tur getrennt [180]. Es konnte nicht genau ermittelt werden, wie viele Biotinfunktionen in
der nalen Struktur vorhanden waren. Um eine prinzipielle Vorstellung der Bindungsstellen
zu geben, ist in Abbildung 4.19a ein mit Chimera erstelltes Oberächenbild des WSCPs
gezeigt, in welchem alle Lysine rot markiert wurden. Prinzipiell sollte das WSCP also in
allen erdenklichen Orientierungen an die GNPs binden können.
Wird ein Überschuss dieser WSCP-Variante zu SA-stabilisierten GNPs gegebenen, so
ndet innerhalb von ein bis zwei Minuten ein deutlicher Farbumschlag von rot nach blau-
lila statt, wie in Abbildung 4.19b auf den Fotos erkennbar ist. Die GNPs hatten einen
74
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.19.: a) Mit Chimera erstelltes Oberächenbild der Kristallstruktur des WSCPs.
Die Lysine sind zur Abschätzung der Positionierungen des Biotins rot mar-
kiert. b) Extinktionsspektren von SA-GNPs mit (graues Spektrum) und oh-
ne WSCP (schwarzes Spektrum). Auf Grund der Aggregierung der GNPs
nach WSCP-Zugabe verschiebt sich das Extinktionsmaximum zu höheren
Wellenlängen und der Peak verbreitert sich. Zusätzlich sind die Fotos der
beiden Lösungen gezeigt. (dGNPs = (48  7) nm, TEM-Aufnahme siehe
Abbildung A.1f) c) Extinktionsspektren von Proben ohne (schwarze Kur-
ven) und mit WSCP (graue Kurven) nach einmaligem und zweimaligem
Waschen der Proben zur Entfernung überschüssigen SAs vor Zugabe des
WSCPs. Nach einmaligen Waschen ndet nur eine sehr geringfügige Reak-
tion statt. Zur ausreichenden Entfernung des freien SA müssen die Proben
zweimal gewaschen werden.
75
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
mittleren Durchmesser von (48  7) nm). Der Farbumschlag ist auf die Aggregierung der
Partikel auf Grund der Vernetzung mit WSCP zurückzuführen. Entsprechend verschiebt
sich auch das Plasmonenresonanzmaximum deutlich zu gröÿeren Wellenlängen (von 540
nm auf 574 nm) und das Spektrum ist stark verbreitert, wie ebenfalls in Abbildung 4.19b
zu sehen ist. Das Ausmaÿ der Verschiebung ist deutlich stärker als bei Verschiebungen des
Plasmonenresonanzpeaks, welche nur aus der Änderung der dielektrischen Funktion der
Umgebung der Partikel resultieren, wie beispielsweise bei der SA-Passivierung der Partikel
in Abbildung 4.15 gezeigt ist.
In Abbildung 4.19c sind auÿerdem Extinktionsspektren von SA-stabilisierten GNPs mit
und ohne WSCP dargestellt. Die unteren beiden Spektren stammen von Proben, welche
nur einem Zentrifugationsschritt unterworfen wurden: Durch die Zugabe von WSCP ist
nur eine minimale Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks erkennbar. Werden die SA-
stabilisierten GNPs hingegen vor der Zugabe zweimal gewaschen (obere Spektren in Abbil-
dung 4.19c), ndet wie erwartet eine deutliche Aggregierung (erkennbar an der deutlichen
Verbreiterung und Verschiebung des Spektrums) statt. Entsprechend wurden alle weiteren
diskutierten Experimente an zweimal gewaschenen SA-stabilisierten GNPs durchgeführt.
Anzahl und Gröÿe der gebildeten Aggregate sind vom Verhältnis des WSCPs zu den
GNPs abhängig. Da die Plasmonenresonanzfrequenz abhängig von der Gröÿe eines GNP-
Aggregats ist, kann das Ausmaÿ einer Reaktion mit WSCP an Hand der Verbreiterung
und Verschiebung des Plasmonenresonanzpeaks verfolgt werden. Abbildung 4.20a zeigt
die Extinktionsspektren von SA-stabilisierten GNPs und den gleichen GNPs mit unter-
schiedlichen WSCP-Mengen. Zusätzlich ist ein Foto der Lösungen abgebildet.
Wie erwartet, verbreitert sich der Peak bei Erhöhung der WSCP-Konzentration. Wird
WSCP in einem Verhältnis 0,5 WSCP : 1 GNP eingesetzt, ist an Hand der Spektren keine
Reaktion erkennbar. Dies ist vor dem Hintergrund, dass das letztendliche Ziel dieser Arbeit
die Synthese von GNP-Dimeren, welche genau durch ein WSCP verbunden sind, ungüns-
tig. Ursächlich hierfür könnten noch Reste an freiem SA in der Lösung sein. Auch die im
vorherigen Abschnitt diskutierten ungünstigen elektrostatischen Gegebenheiten könnten
zu diesem Ergebnis führen: Die Experimente müssen bei einem leicht basischen pH-Wert
durchgeführt werden, da sonst die elektrostatische Abstoÿung zwischen den SA-stabili-
sierten GNPs nicht ausreicht, um die GNPs stabil in Lösung zu halten. Auf Grund der
Abstoÿung ist dann aber auch die Aggregierung zweier GNPs erschwert.
Von den Proben mit WSCP-GNP-Verhältnissen von 1,5:1 und 3:1 sowie den SA-stabili-
sierten GNPs ohne WSCP wurden TEM-Aufnahmen angefertigt. Ein Histogramm mit den
Probenzusammensetzungen ist in Abbildung 4.20b dargestellt. Hierfür wurden pro Probe
mindestens 140 Partikel ausgezählt. Exemplarische TEM-Aufnahmen sind in Abbildung
4.20c gezeigt. Die Entscheidung über die Zugehörigkeit eines Partikels zu einem Aggre-
gat gestaltet sich schwierig. Im Prinzip können in den GNP-WSCP-Proben zwischen zwei
GNPs zwei SA und ein WSCP positioniert sein, welche ihrerseits in unterschiedlichen Kon-
formationen und Orientierungen vorliegen können, sodass schon theoretisch die Abstände
76
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.20.: a) Foto und Extinktionsspektren von Proben mit unterschiedlichen WSCP-
Gehalten. Je mehr WSCP zu den GNP-Lösungen gegeben wird, desto aus-
geprägter ist die Verschiebung und Verbreiterung des Plasmonenresonanz-
peaks. b) aus TEM-Aufnahmen erstelltes Histogramm der Probenzusam-
mensetzung der Proben mit 1,5 WSCP pro GNP und 3 WSCP pro GNP.
Pro Probe wurden mindestens 140 Partikel gezählt. c) Exemplarische TEM-
Aufnahmen von den SA-stabilisierten GNPs, der Probe mit 1.5 WSCP pro
GNP und der Probe mit 3 WSCP pro GNP. Der Maÿstabsbalken ist in allen
Abbildungen 500 nm.
77
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
zwischen zwei GNPs stark dierieren. Daher wurde die Zusammensetzung der Proben
mit WSCP eher pessimistisch ausgewertet: Der durch ein SA mögliche maximale Abstand
wurde mit 10 nm angenommen. Dieser wurde als der maximale Abstand nicht nur für
die Probe ohne WSCP sondern auch für die anderen beiden gezeigten Proben 1,5:1 und
3:1 als Kriterium für die Vorlage eines einzelnen Partikels oder eines zu einem Aggregat
gehörenden Partikels verwendet, obwohl theoretisch aus den Kristallstrukturen auch Ab-
stände von bis zu  30 nm plausibel wären (2x 10 nm (SA) + 1x 10 nm (WSCP)). Die
TEM-Aufnahmen zeigen eine kontinuierliche Abnahme des Monomeranteils mit steigen-
dem WSCP-Gehalt. Der Dimeranteil verdoppelt sich zwar von der Probe ohne WSCP zur
Probe mit 1,5 WSCP pro GNP, steigt dann aber nicht mehr weiter. Bei höheren WSCP-
Anteilen nimmt lediglich der Anteil der Aggregate, welche aus mehr als drei Partikeln
bestehen, signikant zu.
Mit Hilfe der TEM-Proben wurde auch versucht, die Zusammensetzung der Aggregate
in den Lösungen mit den spektralen Eigenschaften zu korrelieren. Von diversen Versu-
chen wurden hierfür TEM-Aufnahmen von Proben mit unterschiedlichen WSCP:GNP-
Verhältnissen angefertigt. Allgemein gestaltete sich die Auswertung solcher TEM-Auf-
nahmen eher schwierig, da nicht nur die unterschiedlichen Konformationen der Proteine
die Entscheidung über eine Zugehörigkeit eines GNPs zu einem Aggregat erschweren, son-
dern auch die in Abschnitt 4.2 bereits diskutierten, im Falle der SA-stabilisierten GNPs
zwar geringer ausgeprägten, aber immer noch vorhandenen, Artefakte aus der TEM-Pro-
benpräparation (Coee Ring Eect [183]). Beispiele hierfür sind in Abschnitt 4.4 bei
der Diskussion von Cryo-TEM-Experimenten aufgeführt. Insgesamt war aber bei allen
untersuchten Proben der Monomeranteil wie in dem vorgestellten Beispiel deutlich über-
wiegend. Dies deckt sich auch mit den Ergebnissen in [190] und [203]. In [203] wurden
SA-verbrückte GNPs synthetisiert, die Anzahl des SAs für die Verbrückung zweier GNPs
spielte für die durchgeführten Experimente keine Rolle. Trotzdem war dort bei 150 SA pro
GNP, bei denen eine maximale Aggregierung in den Extinktionsspektren erkennbar war,
ebenfalls immer der Monomeranteil überwiegend und der Anteil der Aggregate insgesamt
lag nur bei 20%. Es muss davon ausgegangen werden, dass mit der gewählten Route auch
unter der Berücksichtigung, dass eventuell nicht alle Dimere bei der Auswertung der Auf-
nahmen aus den oben genannten Gründen erfasst wurden, nur wenige WSCP-verbrückte
Dimere erhalten werden können. Die maximale Anzahl an Dimeren, welche im Rahmen
der vorliegenden Arbeit in einer Probe mit SA-stabilisierten WSCP-assemblierten GNPs
gefunden wurde, lag bei 30%.
Ein deutlicherer Nachweis der Bindung des WSCPs an die SA-GNPs kann, analog zu
den citrat-stabilisierten GNPs, mit Hilfe von Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie erbracht
werden. Für die hier vorgestellten Proben wurden diese Messungen erst im Anschluss an
die Anreicherung der Dimere durchgeführt und werden in Abschnitt 4.5.1 besprochen.
78
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Reaktivität, Reproduzierbarkeit und Stabilität
Die Assemblierung wurde auch mit einer weiteren WSCP-Variante getestet, bei welcher
nur an vier Positionen der Proteinstruktur Biotine gebunden waren (11B-WSCP). Pro
Proteinmonomer lag nur ein Biotin vor, und zwar an der 11. Position vom N-Terminus
aus gezählt (vgl. 4.19a). Position und Anzahl der Biotine waren damit deutlich besser
deniert, als in der WSCP-Variante, welche für die vorgestellten Experimente verwendet
wurde (WSCP-Standard). Die Biotine liegen im Falle von 11B-WSCP aber eher innen in
der Proteinstruktur. Abbildung 4.21a zeigt die Extinktionsspektren von SA-stabilisierten
GNPs, welche jeweils mit 6 WSCP pro GNP assembliert wurden. Die Probe mit der
11B-WSCP-Variante reagiert nur minimal. Aus diesem Ergebnis können folgende Schluss-
folgerungen festgehalten werden:
 Die His6-Tags an den N-Termini sind bei beiden WSCP-Varianten vorhanden. Trotz-
dem ndet nur bei der Variante mit sehr vielen Biotinen in der Struktur eine starke
Reaktion statt. Diese kann nicht auf die His6-Tags zurückgeführt werden. Die Re-
aktion der SA-stabilisierten GNPs mit dem WSCP basiert also eindeutig auf der
Biotin-Streptavidin-Bindung.
 Sind die Biotineinheiten eher innen in der Struktur positioniert, ndet nur eine ge-
ringfügige Reaktion statt. Dieselbe Beobachtung wurde auch für WSCP-Varianten
aus virginischer Kresse gemacht8. Die Ergebnisse sind im Anhang A.6 zusammen-
gefasst. Die Position der Biotinfunktionen in der Proteinstruktur sollte daher für
zukünftige Experimente berücksichtigt werden.
In Bezug auf die Reproduzierbarkeit der gewählten Route zum Aufbau WSCP-verknüpfter
SA-stabilisierter GNPs ist zu bedenken, dass die tatsächliche Konzentration SA-stabilisierter
GNPs nach den Waschschritten vor der Assemblierung mit WSCP in jedem Versuch etwas
unterschiedlich ist. Des weiteren sind mittlere Gröÿe sowie Gröÿen- und Formverteilung der
GNPs aus unterschiedlichen Synthesen nicht identisch, weswegen die Reproduzierbarkeit
der Assemblierung nicht quantitativ untersucht werden konnte. Nichtsdestotrotz sind in
Abbildung 4.21b Extinktionsspektren von GNPs mit einem mittleren Durchmesser von (46
 4) nm aus verschiedenen Chargen gezeigt, welche beide nach der gleichen Synthesevor-
schrift synthetisiert wurden. Zwischen beiden GNP-Synthesen lag ein Zeitraum von fünf
Monaten. Beide GNP-Chargen wurden in der gleichen Art und Weise mit SA stabilisiert
und im Anschluss mit einem fünachen Überschuss WSCP umgesetzt. Die beinahe voll-
ständige Deckungsgleichheit der jeweiligen citrat-stabilisierten GNPs, der SA-stabilisierten
GNPs und der WSCP-verknüpften GNPs zeigt die prinzipiell gute Reproduzierbarkeit der
gewählten Route zur Assemblierung der GNPs.
8Die gezeigten Ergebnisse dieser Arbeit sind mit der WSCP-Variante aus Blumenkohl erzielt worden.
Siehe hierzu auch Abschnitt 4.1.
79
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.21.: a) Extinktionsspektren von SA-stabilisierten GNPs und WSCP-GNP-
Mischungen. WSCP mit Biotin an Pos. 11 ist eine WSCP-Variante, wel-
che nur an vier Positionen Biotin besaÿ, und zwar jeweils an Position 11
von den N-Termini aus gezählt. WSCP Standard ist die WSCP-Variante,
welche für alle anderen Experimente mit SA-funktionalisierten GNPs ver-
wendet wurde. b) Extinktionsspektren von Proben, welche ausgehend von
unterschiedlichen Chargen citratstabilisierter GNPs, die allerdings mit der
gleichen Syntheseroute dargestellt wurden (rote und schwarze Kurven),
erhalten wurden. Unten: citratstabilisierte GNPs, mitte: SA-stabilisierte
GNPs, oben: mit fünachem Überschuss WSCP versetzte SA-stabilisierte
GNPs. Die Kurven sind beinahe deckungsgleich, was eine gute Reprodu-
zierbarkeit der gewählten Route zur Verbrückung der GNPs zeigt.
80
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.22.: Extinktionsspektren von SA-GNPs mit fünachemWSCP-Überschuss nach
einem Tag (1 d) und nach sieben Tagen (7 d) Lagerung (dunkel, 6C).
Zusätzlich ist das Spektrum der SA-stabilisierten GNPs gezeigt.
Allerdings sei angemerkt, dass auch deutlich stärkere Reaktionen und in einigen Ex-
perimenten auch gar keine Reaktion mit WSCP nachgewiesen werden konnte. Die deut-
lich stärkeren Reaktionen sind auf die unterschiedlichen GNP-Konzentrationen nach der
SA-Passivierung auf Grund der zur Anbindung des WSCP notwendigen Zentrifugations-
schritte zurückzuführen. Weshalb in einigen Experimenten auch bei sehr hohen WSCP-
Überschüssen keine Reaktion stattfand, konnte nicht geklärt werden. Im Prinzip genügt
bei der gefundenen Route aber eine Testreaktion mit 10 bis 20 fachem WSCP-Überschuss
(siehe Abschnitt 3.1), um festzustellen, ob das WSCP an die vorliegenden SA-stabilisierten
GNPs bindet: nach etwa ein bis zwei Minuten sollte ein deutlicher Farbumschlag auftreten.
Die Untersuchung der Lagerungsfähigkeit der assemblierten GNPs lag nicht im Fokus
dieser Arbeit, wurde aber an einigen Proben trotzdem überprüft. Eine Auösung der
Aggregate kann in den Extinktionsspektren an Hand der Verschiebung des Maximums zu
kürzeren Wellenlängen verfolgt werden. In Abbildung 4.22 sind Extinktionsspektren von
WSCP-GNP-Lösungen nach einem Tag und nach sieben Tagen Lagerungszeit (dunkel,
6 C) zusammen mit dem Extinktionsspektrum der SA-stabilisierten GNPs gezeigt. Nach
sieben Tagen hat sich das Extinktionsmaximum erkennbar zu kleineren Wellenlängen ver-
schoben, womit davon ausgegangen werden muss, dass die Proben nicht lagerungsfähig
sind und immner so frisch wie möglich weiterverarbeitet bzw. spektroskopisch untersucht
werden sollten.
Fazit
Es wurden erfolgreich SA-stabilisierte GNPs präpariert und mit Biotin funktionalisiertem
WSCP assembliert. SA fungiert dabei sowohl als passivierender und stabilisierender Ligand
für die GNPs als auch als Bindungsanker für die Biotin-WSCPs.
Für die SA-Stabilisierung der GNPs müssen pH-Werte oberhalb des pI des SAs ver-
wendet werden, da sonst die elektrostatische Abstoÿung zwischen den GNPs nicht aus-
81
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
reicht, um diese in der Lösung zu stabilisieren. Ein SA-Tetramer belegt etwa 3 nm2 GNP-
Oberäche, was im Einklang mit der aus der Kristallstruktur abgeschätzten Gröÿe eines
SA-Tetramers ist. Die erfolgreiche SA-Passivierung bzw. -funktionalisierung kann in den
Extinktionsspektren an Hand einer Verschiebung des Resonanzmaximums ohne Verbreite-
rung des Peaks gegenüber dem Extinktionsspektrum der citratstabilisierten GNPs verfolgt
werden. Die SA-Überschüsse können mit Hilfe von Zentrifugation entfernt werden.
Zur Assemblierung der SA-GNPs mit WSCP können verschiedene WSCP-Varianten
eingesetzt werden, so lange sichergestellt ist, dass die Biotinfunktionen des WSCPs für
das auf der GNP-Oberäche bendliche SA sterisch zugänglich sind.
Allerdings ist der auf TEM-Aufnahmen gefundene Dimeranteil mit maximal 30% relativ
gering. Daher wurden in einem weiteren Ansatz auch PEG-stabilisierte GNPs verwen-
det und mit WSCP verbrückt. Die Ergebnisse dieser Experimente werden im folgenden
Abschnitt 4.3.2 diskutiert.
82
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
4.3.2. Assemblierung Polyethylenglycol-stabilisierter GNPs
Auf Grund der in Abschnitt 4.3.1 diskutierten geringen Dimeranteile in den Proben mit
SA-stabilisierten und im Anschluss mit WSCP verbrückten GNPs und der Instabilität der
Aggregate wurden auch Polyethylenglycol-stabilisierte GNPs (PEG-GNPs) mit WSCP ver-
knüpft. Die eingesetzten PEGs besitzen eine Thiolfunktion, welche die Bindung an die
GNP-Oberächen vermittelt. Die resultierende Schwefel-Gold-Bindung kann einen kova-
lenten Charakter annehmen 9 und soll so zu noch stabileren GNPs als die SA-Stabilisierung
führen.
Der Einsatz von PEGs für die Passivierung und Funktionalisierung von GNPs wird auf
Grund der Vielzahl für die gewünschte Anwendung anpassbaren Parameter intensiv genutzt
[80, 190, 206]. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit war besonders die Möglichkeit der
Steuerung der Bindungsstellen für das WSCP über die Wahl geeigneter PEG-Mischungen
aus PEGs mit einer funktionellen Einheit, welche die Bindung an das WSCP vermittelt,
und einem weiteren, lediglich stabilisierendem PEG, interessant. Weiterhin wären für den
Aufbau von GNP-Dimeren mit WSCP folgende Vorteile zu nennen:
 Wahl unterschiedlicher Kettenlängen zur Variation des Abstands zwischen WSCP
und GNP-Oberäche,
 Einsatz unterschiedlich funktionalisierter PEGs zu Erhöhung bzw. Erniedrigung der
Oberächenladung und
 höhere Flexibilität bei der Wahl der GNP-Partikelform, da auch die üblicherweise
CTAB10-stabilisierten Goldnanostäbchen oder -prismen mit PEG passiviert werden
können [207, 208].
In der vorliegenden Arbeit wurden die in Abbildung 4.23 gezeigten bifunktionalen PEGs
verwendet. Beide PEG-Varianten haben eine relativ kurze Kettenlänge, um den Abstand
zwischen GNP-Oberäche und Chlorophyll für die anschlieÿende spektroskopische Unter-
suchung der Fluoreszenz nicht zu stark zu vergröÿern. Wie in Abschnitt 4.1 an Hand von
Abbildung 4.3 diskutiert, würden sich bei gröÿeren Interpartikelabständen für die in der
vorliegenden Arbeit verwendeten Partikelgröÿen geringere Überlappungen der Plasmonen-
resonanz mit dem Fluoreszenzspektrum des WSCPs ergeben.
Neben den angesprochenen Thiolfunktionen zur Vermittlung der Bindung an die GNP-
Oberäche sind beide PEGs mit einer zweiten funktionellen Einheit versehen: Variante 1
besitzt eine Carboxylatfunktion. Diese ist bei dem zur Bindung des PEGs an die GNPs
sowie bei den weiteren Reaktionsschritten notwendigen leicht basischen pH-Wert depro-
toniert, so dass die GNPs eine negative Oberächenladung haben. Dies könnte zwar die
9Die Natur der Schwefel-Gold-Bindung ist nicht vollständig aufgeklärt. Einen Übersichtsartikel gibt [204].
In [205] wird eine pH-Wert-Abhängigkeit des Bindungscharakters beschrieben.
10Cetyltrimethylammoniumbromid
83
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.23.: Molekülstrukturen und mit ChemSketch ermittelte ungefähre Längen der
beiden eingesetzten PEG-Varianten bei Annahme einer linearen Konforma-
tion
Assemblierung der GNPs mit WSCP auf Grund der resultierenden elektrostatischen Absto-
ÿung erschweren. Allerdings sollen die Dimere im Anschluss auch mit Hilfe von Gelelektro-
phorese angereichert werden, wofür eine ausreichend hohe Laufgeschwindigkeit sicherge-
stellt sein muss. Alternativ wären auch Methoxy-Reste an Stelle der Carboxylat-Funktionen
denkbar gewesen. Für diese wurde jedoch berichtet, dass mittels Gelelektrophorese keine
Trennung der unterschiedlich groÿen GNP-Aggregate stattfand [190].
Variante 2 besitzt eine Biotinfunktion, welche die Funktionalisierung der GNPs mit
SA erlaubt. An das SA soll im Anschluss das mit Biotin-Funktionen versehene WSCP
gebunden werden. Das Biotin-PEG hat eine deutlich gröÿere Kettenlänge als das COOH-
PEG, um eine sterisch einfache Bindung des SAs bzw. des WSCPs zu ermöglichen.
Insgesamt wird folgendermaÿen vorgegangen:
1. Funktionalisierung citrat-stabilisierter GNPs mit den PEGs
2. Funktionalisierung der Biotin-PEGs auf den GNPs mit SA
3. Verknüpfung der SA-PEG-GNPs mit WSCP.
Die nale Bindung zweier GNPs ist maÿstabsgetreu in Abbildung 4.24 skizziert.
Funktionalisierung der GNPs mit PEG
Die Vorversuche zur PEG-Funktionalisierung der citrat-stabilisierten GNPs (PEGylierung)
wurden von Katja Krüger im Rahmen eines Modulpraktikums durchgeführt. Die Funk-
tionalisierung der GNPs erfolgte nach der in Abschnitt 3.1 beschriebenen Methode auf
Basis von [209] in 25 mM Natriumhydrogencarbonatlösungen. Es wurde auch versucht,
die GNPs in mq-Wasser zu PEGylieren [190, 210, 211], dabei aggregierten die Parti-
kel jedoch. Bei den gewählten basischen pH-Werten ist das Schwefelatom deprotoniert,
wodurch sich eine stabile Thiol-Gold-Bindung kovalenten Charakters ausbilden soll [205].
84
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.24.: Maÿstabsgetreue Skizze zweier mit WSCP assemblierter PEG-stabilisierter
GNPs mit einem Durchmesser von 50 nm: SA wird an die auf den GNPs
bendlichen Biotin-PEGs gebunden. Das SA kann dann mit den Biotin-
Einheiten des WSCP reagieren.
Für relativ kleine Partikelgröÿen von etwa 30 nm erwies sich ein Überschuss von 160
PEGs pro nm2 Partikeloberäche als ausreichend, um auch nach den notwendigen weite-
ren Prozeduren zur Assemblierung der GNPs deren Stabilität in Lösung zu gewährleisten.
Für gröÿere Partikel mit Durchmessern von (41  6) nm bis (52  7) nm wurde mit
etwa 850 PEGs pro nm2 Partikeloberäche ein deutlich höherer PEG-Überschuss benö-
tigt11. In der Literatur werden typischerweise 33 [209] bis 85 [80] PEG-Moleküle pro nm2
Partikeloberäche verwendet. Allerdings wurden dort die GNPs entweder zusammen mit
Ethanol PEGyliert oder die Citratgruppen gegen BSPP12 ausgetauscht. Wahrscheinlich
bildete sich in beiden Beispielen durch die zusätzlichen Reagenzien auch mit geringe-
ren PEG-Überschüssen ausreichend schnell die Schwefel-Gold-Bindung aus. In den in der
vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimenten wurden weder zusätzliche Reagenzien
noch ein vorheriger Ligandenaustausch der Citrathülle durchgeführt, um Aggregierungen
der GNPs, welche nicht auf einer Bindung des WSCPs beruhen, zu vermeiden. Nichtzuletzt
ist die PEG-Belegungsdichte auf GNP-Partikeln höher, je kürzer die PEG-Kettenlänge ist
[210]. Dementsprechend wird von den hier gewählten kurzen PEGs ein höherer Überschuss
benötigt, um die GNP-Oberäche vollständig zu passivieren.
Abbildung 4.25a zeigt die typischen Spektren von citrat-stabilisierten GNPs und den zu-
11Während der experimentellen Arbeit wurden die Partikeldurchmesser aus dem Plasmonenresonanzma-
ximum abgeschätzt, woraus sich Abweichungen in der Partikelkonzentration und damit in der Ge-
samtpartikeloberäche ergaben (siehe Abschnitt 3.1.1). Der hier genannte Wert bezieht sich auf die
Partikelkonzentrationen und Gesamtoberächen der Partikellösungen, welche sich aus den an Hand
von TEM-Aufnahmen ermittelten mittleren Partikeldurchmessern ergeben.
12Die Citrathülle der GNPs wird gegen Bis(p-sulfonatophenyl)phenylphosphin (BSPP) ausgestauscht,
welches die GNPs besser stabilisiert [212].
85
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
gehörigen PEG-stabilisierten GNPs, welche mit unterschiedlichen COOH-PEG zu Biotin-
PEG Verhältnissen (PEG-Verhältnisse) funktionalisiert wurden. Auÿerdem wurden unter-
schiedliche Partikelgröÿen eingesetzt. Die Resonanzpeaks verbreitern sich nur sehr ge-
ringfügig, sodass davon auszugehen ist, dass sich die Probenzusammensetzung durch die
PEGylierung nicht ändert. Die Verbreiterung ist vermutlich auf eine minimale Aggregation
der GNPs zurückzuführen. Die in Abbildung 4.25b gezeigte repräsentative TEM-Aufnahme
von PEG-stabilisierten GNPs mit einem Durchmesser von 29 nm zeigt hauptsächlich Mo-
nomere: Auf der TEM-Probe sind von 120 ausgezählten Partikeln 80% Monomere, 14%
Dimere und lediglich 6% höhere Oligomere.
Es ist zu erkennen, dass hier, im Gegensatz zur Passivierung der GNPs mit SA (Ab-
schnitt 4.3.1), keine Verschiebung des Plasmonenresonanzpeaks stattndet. Oenbar än-
dert sich durch die Funktionalisierung der GNPs mit PEG die dielektrische Umgebung
nicht so stark, wie im Falle der SA-Funktionalisierung.
Die erfolgreiche PEG-Stabilisierung kann analog zur SA-Passivierung durch die Zugabe
von konzentrierten Salzlösungen zu den GNP-Lösungen überprüft werden. Abbildung 4.25c
zeigt ein Foto mit GNP-Lösungen, zu denen 0,2 M Natriumphosphatpuer gegeben wurde:
Die PEG-stabilisierten GNPs links zeigen keine Reaktion, die citrat-stabilisierten GNPs
aggregieren, erkennbar an dem deutlichen Farbumschlag nach lila-blau.
Funktionalisierung der PEG-GNPs mit SA
Nach Entfernung des überschüssigen PEGs durch dreimaliges Zentrifugieren und Resus-
pendieren der Proben in Puer (20 mM Natriumphosphatpuer, pH 7,8), müssen die
Biotinreste auf der GNP-Oberäche mit SA gesättigt werden. Dabei wurde doppelt so-
viel SA im Vergleich zu der zu Beginn zu den GNPs gegebenen Stomenge Biotin-PEG
verwendet. Die Ergebnisse der im Anschluss an die SA-Funktionalisierung zur Entfernung
des überschüssigen SA abermals dreimal gewaschenen SA-PEG-GNPs sind in Abbildung
4.26 zusammengefasst. Groÿe GNPs zeigen bei Verwendung von einem PEG-Verhältnis
von 4000:1 (COOH-PEG:Biotin-PEG) eine minimale Verschiebung des Plasmonenreso-
nanzpeaks zu höheren Wellenlängen (untere Spektren in Abbildung 4.26a), während die
SA-Bindung an Partikel mit einem Durchmesser von 29 nm und einem PEG-Verhältnis von
100:1 zu einer Verschiebung des Resonanzpeaks um etwa 6 nm führt (obere Spektren).
Diese Verschiebung entspricht etwa der, welche auch bei direkter Passivierung der GNPs
mit SA beobachtet wurde (4 nm bis 5 nm).
In [210] wurde die Belegungsdichte mit dem hier verwendeten COOH-PEG auf 5 PEGs
pro nm2 bestimmt. Mit diesem Wert wurde die Anzahl der Biotin-PEGs auf den GNPs
abgeschätzt. Für die 29 nm GNPs mit einem PEG-Verhältnis von 100:1 beträgt die An-
zahl der Biotin-PEGs und damit der SA-Einheiten auf einem GNP etwa 132. Es ergibt
sich so ein Wert von einem SA pro 20 nm2 Partikeloberäche. Im Zusammenhang mit den
ungefähren Ausdehnungen eines SA (siehe Abbildung 4.10) von 18 nm2 liegt also eine fast
86
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.25.: a) Extinktionsspektren von citrat-stabilisierten GNPs (durchgezogene Lini-
en) und den dazugehörigen PEG-stabilisierten GNPs (gestrichelte Linien).
Die PEG-Verhältnisse sind nach dem Schema COOH-PEG:Biotin-PEG an-
gegeben. Die PEG-Stabilisierung kann mit unterschiedlich groÿen GNPs
und verschiedenen Biotin-PEG zu COOH-PEG Verhältnissen durchgeführt
werden, ohne dass es zu nennenswerten, auf Aggregation hindeutende Ver-
breiterungen der Plasmonenenresonanzpeaks kommt. b) TEM-Aufnahme
der PEG-GNPs aus dem unteren Extinktionsspektrum aus a). Die Probe
bestand aus 80%Monomeren, 14% Dimeren und 6% gröÿeren Aggregaten.
c) Foto von GNP-Lösungen nach Zugabe von 0,2 M Natriumphosphatpuf-
fer.
87
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.26.: a) Extinktionsspektren von PEG-GNPs mit und ohne SA mit unterschied-
lichen Partikeldurchmessern. Im Falle der 29 nm groÿen GNPs (PEG-
Verhältnis 100 COOH-PEG:1 Biotin-PEG) wurde eine Belegung von ei-
nem SA pro 20 nm2 abgeschätzt. Die 45 nm groÿen GNPs haben nur etwa
8 SA pro Partikel (PEG-VErhältnis 4000 COOH-PEG:1 Biotin-PEG, ent-
spricht einem SA pro 795 nm2 GNP-Oberäche). b) Histogramm mit den
aus TEM-Aufnahmen ermittelten Probenzusammensetzungen. Pro Probe
wurden mindestens 100 Partikel gezählt. Für die GNPs mit einem Durch-
messer von 29 nm wurden zwei Proben mit PEG-Verhältnissen von 50:1
und 100:1 ausgewertet, für die 45 nm groÿen GNPs drei Proben mit PEG-
Verhältnissen von 10 000:1 (1 Probe) und 4000:1 (2 Proben). c) exempla-
rische TEM-Aufnahmen von den in a) gezeigten Proben mit SA-Sättigung
nach dreimaligem Waschen zur Entfernung überschüssigen SAs.
88
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
vollständige Belegung der Partikel mit SA vor, was zur Verschiebung der Plasmonenreso-
nanz führt. Bei Verwendung von einem PEG-Verhältnis von 4000:1 für die 45 nm groÿen
Partikel ergibt sich mit der gleichen Berechnung nur eine mittlere SA-Anzahl von 8 pro
GNP, dadurch ist hier keine Verschiebung des Plasmonenresonanzmaximums vorhanden.
Desweiteren ist in Abbildung 4.26b ein Histogramm der Zusammensetzung von SA-
PEG-GNP-Proben mit kleineren (29 nm) und gröÿeren (45 nm) Partikeldurchmessern
gezeigt. Hierfür wurden zu Ermittlung der Probenzusammensetzungen der groÿen GNPs
drei Proben mit unterschiedlichen PEG-Verhältnissen (eine Probe mit 10 000:1 und zwei
Proben mit 4000:1) und für die der 29 nm GNPs zwei Proben (je eine Probe mit 50:1 und
eine mit 100:1) ausgewertet. Es wurden für jede Probe mindestens 100 Partikel gezählt.
Repräsentative TEM-Aufnahmen sind in Abbildungsteil (c) gezeigt. Insgesamt ist der Mo-
nomeranteil im Mittel mit etwa 80% geringer als der Wert für die nur SA-stabilisierten
GNPs (91%). Dies ist vermutlich auf die vorher durchgeführten insgesamt sechs Wasch-
schritte und die auch bei Verwendung von PEG-stabilisierten GNPs vorhandene generelle
Problematik der TEM-Probenpräparation (siehe Abschnitte 4.3.1 und 4.4) zurückzufüh-
ren.
SA bindet spezisch an die Biotin-PEGs
Die Bindung des SAs an die Biotin-PEGs auf der GNP-Oberäche kann genutzt werden,
um zu überprüfen, ob die SA-Bindung wie gewünscht an die Biotin-PEGs erfolgt, eventuell
freie Flächen der GNPs belegt werden oder SA unspezisch an die PEG-Hülle adsorbiert.
In Abbildung 4.27a sind Extinktionsspektren von 29 nm groÿen PEG-GNPs mit und oh-
ne SA dargestellt. Werden die GNPs ausschlieÿlich mit COOH-PEGs stabilisiert (oberes
Spektrum), ndet zusammen mit SA keine Verschiebung der Plasmonenresonanz statt.
Ist Biotin-PEG vorhanden (25:1), verschiebt sich, wie oben erläutert, der Plasmonenre-
sonanzpeak zu höheren Wellenlängen.
Eindrucksvoller ist die Existenz von Biotin-PEG in der PEG-Hülle auf dem Foto in Ab-
bildung 4.27b zu sehen: Es sind PEG-GNP-Lösungen mit Biotin-PEG (links) und ohne
Biotin-PEG (rechts), welche mit einem Unterschuss SA im Vergleich zu Biotin-PEG ver-
setzt wurden, gezeigt. Die Probe mit Biotin-PEG zeigt einen deutlichen Farbumschlag von
rot nach lila-blau. Die GNPs sind also durch die Zugabe des SAs aggregiert, während in der
Probe ohne Biotin-PEG keine Reaktion zu beobachten ist. Dies ist ein eindeutiger Nach-
weis, dass das SA nicht unspezisch an die PEG-Hülle adsorbiert, sondern direkt an die
Biotin-PEGs bindet. In Folge dessen werden die GNPs bei Zugabe des SA-Unterschusses
assembliert, was an Hand des Farbumschlags verfolgt werden kann.
Damit bleibt festzuhalten, dass erfolgreich mit PEG stabilisierte SA-funktionalisierte
GNPs mit verschiedenen PEG-Verhältnissen präpariert werden können. Die verschiedenen
PEG-Verhältnisse ermöglichen die Präparation von GNPs mit einer unterschiedlichen An-
zahl von SA-Funktionalisierungen pro GNP, da das SA nur an die Biotinfunktionen der
89
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.27.: a) Extinktionsspektren von PEG-stabilisierten GNPs (dGNPs = (29  5)
nm) mit (25:1) und ohne Biotin-PEG vor und nach der Funktionalisierung
mit SA. b) Foto mit GNPs mit und ohne Biotin-PEG nach Zugabe eines
SA-Unterschusses.
PEGs bindet.
Bindung von WSCP an SA-PEG-GNPs
Die mit SA funktionalisierten PEG-GNPs wurden mit der gleichen Biotin-WSCP-Variante
zur Reaktion gebracht wie die SA-GNPs in Abschnitt 4.3.1. Um nachzuweisen, dass das
WSCP mit seinen Biotin-Funktionen an die SAs auf den PEG-GNPs bindet, wurden die
gleichen PEGylierten GNPs mit und ohne SA mit WSCP gemischt. In Abbildung 4.28a
sind die entsprechenden Extinktionsspektren dargestellt. Die Verschiebung der Plasmonen-
resonanz ist deutlich vorhanden, wenn SA an den GNPs gebunden ist (obere Spektren),
während ohne SA keinerlei Reaktion zu beobachten ist (untere Spektren). Damit ist aus-
zuschlieÿen, dass das WSCP unspezisch an freie GNP-Oberächen oder die PEG-Hülle
bindet. Die Bindung des WSCP erfolgt eindeutig auf Grund der SA-Biotin-Bindung.
Abbildung 4.28b zeigt Extinktionsspektren von SA-PEG-GNPs, welche mit unterschied-
lichen Mengen WSCP gemischt wurden. Die zunehmende Verschiebung und Verbreite-
rung der Plasmonenresonanz mit steigendem WSCP-Gehalt ist deutlich zu erkennen. Der
Plasmonenresonanzpeak verschiebt sich mit steigender WSCP-Menge von 537 nm (ohne
WSCP) auf 539 nm (0,5 WSCP), 542 nm (1,5 WSCP) und 552 nm (2,5 WSCP). WSCP
bindet demnach an die SA-Funktionen auf der GNP-Oberäche und führt wie erwartet in
Abhängigkeit von seiner Konzentration zu einer Aggregation der GNPs.
Um den Einuss der Bindungsstellenanzahl auf der GNP-Oberäche auf die WSCP-
90
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.28.: a) Extinktionsspektren von PEG-GNPs mit und ohne WSCP (d = 29 nm).
Unten: ohne vorherige SA-Funktionalisierung; Es ndet keine Reaktion
statt. Oben: Mit SA-Funktionalisierung; Nach Zugabe des WSCPs ist ei-
ne deutliche Verbreiterung und Verschiebung des Plasmonenresonanzpeaks
auf Grund der WSCP-vermittelten Aggregation der GNPs vorhanden. b)
SA-PEG-GNPs (PEG-Verhältnis 400:1, dGNPs = (42  7) nm) mit unter-
schiedlich hohen WSCP-GNP-Verhältnissen.
vermittelte Aggregierung zu untersuchen, wurden GNPs mit unterschiedlichen COOH-
PEG zu Biotin-PEG-Verhältnissen passiviert. Die PEG-Verhältnisse haben keinen Einuss
auf die Zusammensetzung der Proben vor WSCP-Zugabe, wie in Abbildung 4.26 gezeigt
wurde. In Abbildung 4.29a sind die Extinktionsspektren für GNPs, welche mit unterschiedli-
chen PEG-Verhältnissen funktionalisiert wurden und mit unterschiedlichen Mengen WSCP
zur Reaktion gebracht wurden, dargestellt. Mit der in [210] ermittelten Anzahl von etwa
5 PEGs pro nm2 Partikeloberäche ergeben sich für die gezeigten Proben mit GNPs mit
einem Durchmesser von etwa 52 nm 21 (PEG-Verhältnis 2000:1), 14 (PEG-Verhältnis
3000:1) und 10 (PEG-Verhältnis 4000:1) Biotin-PEGs pro GNP. Der Einuss der Biotin-
PEG-Belegung auf das Aggregationsverhalten der GNPs ist in den Spektren mit 1:1 und
2:1 WSCP-GNP-Verhältnissen zu erkennen: Je mehr Biotin-PEG auf der Oberäche der
GNPs vorhanden ist, desto stärker ist die Verschiebung und Verbreiterung des Plasmonen-
resonanzpeaks, wobei insgesamt festzuhalten ist, dass die spektralen Unterschiede gering
sind.
Die Ergebnisse der Analyse der TEM-Proben sind in den in Abbildung 4.29b gezeigten
Histogrammen zusammengefasst. Die theoretische und an Hand der Spektren zu erwar-
tende Tendenz ist: Je mehr Biotin-PEG und/oder je mehr WSCP in den Proben, desto
höher die Anzahl und Gröÿe der Aggregate. Dies ist aber nicht der Fall. Den gröÿten
Anteil in allen Proben bilden die Monomere. Die ermittelten Zusammensetzungen der bei-
den Proben mit einem PEG-Verhältnis von 4000:1 verhalten sich genau umgekehrt zu der
91
4.3. Biotin-Streptavidin vermittelte Bindung von WSCP an Goldnanopartikel
Abbildung 4.29.: a) Extinktionsspektren von mit WSCP verknüpften GNPs (dGNPs = (52
 7) nm) mit unterschiedlichen PEG-Verhältnissen, b) Histogramm der
aus TEM-Aufnahmen ermittelten Probenzusammensetzungen. Es wurden
jeweils mindestens 170 Partikel gezählt.
aus den Extinktionsspektren zu erwartenden Zusammensetzung: Die Probe mit 2 WSCP
pro GNP hat einen deutlichen gegenüber der Probe mit 1 WSCP pro GNP verbreiterten
Plasmonenresonanzpeak, was auf eine stärkere Aggregation hinweist. An Hand der TEM-
Aufnahmen wurde aber ein gröÿerer Aggregateanteil in der Probe mit 1 WSCP pro GNP
gefunden. Gleiches gilt für den Vergleich zwischen den Proben mit PEG-Verhältnissen von
2000:1 und 4000:1: Der Aggregateanteil sollte in den Proben mit Verhältnissen von 2000:1
höher sein als in den Proben mit 4000:1, so wie es auch an Hand der Extinktionsspektren
zu erkennen ist. Dies weist abermals darauf hin, dass die Analyse der Probenzusammen-
setzungen mittels TEM problematisch ist (vgl. auch Abschnitte 4.2 und 4.3.1).
Fazit
Die auf der SA-Biotin-Bindung basierende Assemblierung der GNPs ist auch mit der Ver-
wendung PEG-stabilisierter GNPs möglich. Dabei konnte eindeutig nachgwiesen werden,
dass sowohl die SA-Bindung an die Biotin-PEGs als auch die Bindung des mit Biotin-
Funktionen ausgestatteten WSCPs an SA spezisch abläuft. Daher konnte mit Hilfe der
Variation des Biotin-PEG zu COOH-PEG Verhältnisses die Zahl der Bindungsstellen für
das WSCP auf den GNPs modiziert werden. Je weniger Biotin-PEG und damit WSCP-
Bindungsstellen vorhanden sind, desto geringer ist die Aggregierung der GNPs. Dies konn-
92
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
te nur an Hand der Extinktionsspektren verfolgt werden, die TEM-Aufnahmen führten zu
widersprüchlichen Ergebnissen. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass die TEM-
Aufnahmen nicht den tatsächlichen Zustand der Proben in Lösung widerspiegeln, wie
bereits für die Experimente mit citrat-stabilisierten und SA-stabilisierten GNPs angemerkt
wurde (vgl. Abschnitte 4.2 und 4.3.1). Zur weiterführenden Untersuchung wurden Cryo-
TEM-Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse im folgenden Abschnitt 4.4 vorgestellt
werden.
4.4. Untersuchung der GNP-WSCP-Aggregate mit Cryo-TEM
Die Ermittlung der Probenzusammensetzungen mit Hilfe von TEM-Aufnahmen erwies
sich über alle Varianten der WSCP-Bindung an die GNPs hinweg als schwierig. Zur Ver-
anschaulichung dieser Problematik sind in Abbildung 4.30 exemplarische TEM-Aufnahmen
gezeigt. In Abbildung 4.30a sind Aufnahmen SA-stabilisierter GNPs, in Abbildung 4.30b
einer PEG-GNP-Probe ohne SA und ohne WSCP dargestellt, in Abbildung 4.30c von
SA-PEG-GNPs mit einem dreifachen WSCP-Überschuss. Alle gezeigten Aufnahmen der
jeweiligen Proben stammen von den gleichen TEM-Netzchen. Es ist nicht ersichtlich, ob
und, gegebenenfalls, welche der beiden jeweils gezeigten Probenregionen die tatsächliche
Probenzusammensetzung widerspiegelt. Zur Aufklärung wurden von Proben mit SA-PEG
GNPs ohne und mit 3,5 Äquivalenten WSCP Cryo-TEM-Aufnahmen angefertigt.
Der groÿe Vorteil der Anfertigung von Cryo-TEM-Aufnahmen begründet sich in dem
Festhalten des Probenzustands in Lösung während der Probenpräparation: Die Probe wird
in üssigem Propan schockgefrostet, sodass keine Trocknungsartefakte auf den TEM-
Proben vorhanden sind. Dadurch kann zum einen die Probenzusammensetzung verlässli-
cher untersucht werden, zum anderen verändern sich die Proteinstrukturen durch das nicht
vorhandene Eintrocknen der Probe nicht, und an Hand der mittleren Abstände zwischen
zwei Partikeln kann überprüft werden, ob WSCP an den GNPs gebunden ist.
Die Extinktionsspektren der untersuchten Proben sind in Abbildung 4.31a gezeigt. Da-
bei verändert sich die Extinktion bei der Funktionalisierung mit 1000 COOH-PEG zu
einem Biotin-PEG nur sehr geringfügig, wie in Abschnitt 4.3.2 bereits diskutiert wurde.
Das Extinktionsspektrum der Probe nach Anbindung des SAs und anschlieÿender Aufrei-
nigung mit Zentrifugation ist leicht gegenüber dem der PEG-GNPs verbreitert, was auf
eine minimale Aggregierung der GNPs hindeutet. Die Zugabe des WSCPs führt zu einer
deutlichen Verschiebung und Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks, was die erfolg-
reiche Reaktion der GNPs mit WSCP bestätigt (rote Kurve). Von beiden Proben wurden
Cryo-TEM-Proben präpariert und untersucht.
93
4.4. Untersuchung der GNP-WSCP-Aggregate mit Cryo-TEM
Abbildung 4.30.: TEM-Aufnahmen von drei Proben zur Verdeutlichung der Problematik der
verlässlichen Ermittlung der Probenzusammensetzung. Beide jeweils ge-
zeigten Aufnahmen stammen von verschiedenen Regionen der gleichen
TEM-Probe: a) einmal zentrifugierte SA-stabilisierte GNPs, b) PEG-GNPs
ohne SA und ohne WSCP, b) WSCP-verknüpfte SA-PEG-GNPs.
94
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.31.: a) Extinktionsspektren der Proben, welche mittels Cryo-TEM untersucht
wurden (mit SA-funktionalisierte GNPs und mit 3,5 WSCP pro GNP as-
semblierte GNPs). Zusätzlich sind die Spektren der citrat-stabilisierten und
PEG-stabilisierten GNPs (1000 COOH-PEG:1 Biotin-PEG) gezeigt. Die
GNPs hatten einen mittleren Durchmesser von (41  6) nm. b) Histo-
gramm der aus den Cryo-TEM-Aufnahmen ermittelten Probenzusammen-
setzungen. Es wurden mindestens 50 Partikel gezählt. c) Repräsentative
TEM-Aufnahmen. Links: ohne WSCP, rechts: mit WSCP. Das Aggregat
in der Aufnahme unten links der Probe ohne WSCP ist das einzige groÿe
Aggregat, welches in dieser Probe gefunden wurde.
95
4.4. Untersuchung der GNP-WSCP-Aggregate mit Cryo-TEM
Untersuchung der Probenzusammensetzung
In Abbildung 4.31b ist das Histogramm der Probenzusammensetzung dargestellt, in Ab-
bildung 4.31c sind repräsentative TEM-Aufnahmen der Probe mit (links) und der Probe
ohne (rechts) WSCP gezeigt. Das in Abbildungsteil (c) gezeigte Aggregat der Probe oh-
ne WSCP ist das einzige höhere Oligomer, welches auf der untersuchten Probenäche
gefunden wurde.
Die Zusammensetzungen beider Proben unterscheiden sich deutlich voneinander. Die
Probe ohne WSCP besteht mit 89% fast ausschlieÿlich aus Monomeren, es wurde unter
125 ausgezählten Partikeln ledigleich ein gröÿeres Aggregat gefunden (welches in Abbil-
dung 4.31c gezeigt ist). Auf Grund der Reaktion der GNPs mit WSCP nimmt der Mo-
nomeranteil von 89% drastisch auf 48% ab, der Dimeranteil steigt von 8% auf 17%. Es
sind deutlich mehr Aggregate vorhanden. Die mit Cryo-TEM-Aufnahmen ermittelte Ver-
änderung der Probenzusammensetzung bestätigt die Änderung der Extinktionsspektren
auf Grund der Reaktion mit WSCP.
Die in den vorherigen Abschnitten getätigte Aussage, dass sich in Proben der verschie-
denen, stabilisierten GNPs ohne WSCP hauptsächlich Monomere benden, können mit
den Ergebnissen der Cryo-TEM Aufnahmen bestätigt werden. Es ist somit denitiv da-
von auszugehen, dass bei Vorliegen eines GNP-Extinktionsspektrums ohne/mit minimaler
Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks gegenüber dem Extinktionsspektrum der ur-
sprünglichen, citrat-stabilisierten GNPs hauptsächlich Monomere in den Proben vorliegen.
Im Rahmen der Arbeit wurde versucht, einen Bezug zwischen Verschiebung des Re-
sonanzmaximums und Zusammensetzung der Proben mit TEM-Aufnahmen herzustel-
len. Dies gestaltete sich aus den einleitend genannten Gründen als schwierig. Daher
sollen hier die Ergebnisse der Cryo-TEM-Aufnahmen mit Ergebnissen normaler TEM-
Untersuchungen verglichen werden. Das Extinktionsspektrum der in Abbildung 4.29 ge-
zeigten Probe mit einem PEG-Verhältnis von 2000 COOH-PEGs:1 Biotin-PEG und ei-
nem WSCP-GNP-VErhältnis von 2:1 (die in dem Experiment erhaltenen TEM-Ergebnisse
waren widersprüchlich zu den Extinktionsspektren) ist nochmals in Abbildung 4.32 zusam-
men mit der im Rahmen der Cryo-TEM-Experimente untersuchten Probe mit 3,5-fachem
WSCP-Überschuss aufgetragen. Die beiden Extinktionsspektren der Proben ohne WSCP
unterscheiden sich kaum, die Spektren der Proben mit WSCP zeigen eine deutlich stär-
kere Aggregierung der Probe 2:1 aus dem früheren Experiment (rote Kurve). Die aus
den jeweiligen TEM-Experimenten ermittelten Probenzusammensetzungen sind nochmals
im Histogramm in Abbildung 4.32b zusammengefasst. Die ermittelten Zusammensetzun-
gen unterscheiden sich deutlich. Anhand der Extinktionsspektren wäre für die Probe mit
2 WSCP pro GNP ein deutlich höherer Aggregate-Anteil zu erwarten als bei der Probe
mit 3,5 WSCP pro GNP. Dies wird an Hand der beiden Ergebnisse der TEM-Aufnahmen
nicht bestätigt, der Monomeranteil in den Proben wird überschätzt, der Aggregatanteil
unterschätzt.
96
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.32.: a) Extinktionsspektren zweier WSCP-PEG-GNP-Proben. Die Aggregation
der gezeigten 2:1 Probe erscheint deutlich stärker, entsprechend sollten
hier mehr Aggregate vorhanden sein als in der Probe 3,5:1. b) Zusammen-
setzungen der Probe 3,5:1, ermittelt aus Cryo-TEM-Aufnahmen, und der
Probe 2:1, ermittelt aus normalen TEM-Aufnahmen. Es wurden mindes-
ten 50 Partikel gezählt. Die ermittelte Zusammensetzung korreliert nicht
mit der aus dem Extinktionsspektrum erwarteten stärkeren Aggregation
der Probe 2:1.
Untersuchung der Interpartikelabstände
Aus den Cryo-TEM-Aufnahmen der Probe mit und der Probe ohne WSCP wurden die
Interpartikelabstände ermittelt. Da die Probe ohne WSCP nur wenige Aggregate enthielt,
konnten für diese nur wenige Abstände ermittelt werden. Die Ergebnisse sind im Histo-
gramm in Abbildung 4.33a zusammengefasst, TEM-Aufnahmen von Dimeren mit den
jeweils bestimmten Abständen beider Proben sind in Abbildung 4.33b gezeigt. Es ist eine
deutliche Zunahme des mittleren Interpartikelabstands der Probe ohne WSCP mit 3,8 nm
auf 9,0 nm der Probe mit WSCP zu erkennen. Der gefundene mittlere Abstand der Probe
ohne WSCP entspricht damit in etwa dem aus der mit Chimera erstellten Kristallstruktur
des SA zu erwartendem minimalen Abstand von etwa 3 nm. Die gefundenen Aggregate in
dieser Probe sind demnach häug mit SA verknüpft.
Der mittlere Interpartikelabstand erhöht sich durch die Bindung des WSCPs an die
GNPs um etwa 5 nm. Der bei Vorlage von zwei SA und einem WSCP theoretisch zu
erwartende minimale Abstand zwischen zwei GNPs liegt bei 12 nm (2x 3 nm (SA) + 6
nm (WSCP)). Die theoretische Vergröÿerung des mittleren Abstands liegt dann bei 9
nm und ist damit etwas höher als die gefundene Abstandsvergröÿerung. In der Probe lie-
gen allerdings auch SA-verknüpfte GNPs vor, was zu einer Unterschätzung des mittleren
Abstands der WSCP-verknüpften GNPs führt. Das vollständige zwei Partikel verknüpfen-
de Konstrukt aus zwei Biotin-PEGs, zwei SA und einem WSCP ist auÿerdem in seiner
97
4.4. Untersuchung der GNP-WSCP-Aggregate mit Cryo-TEM
Abbildung 4.33.: a) Histogramm der Interpartikelabstände der Proben mit und ohne WSCP
aus Abbildung 4.31. Die mittlere Interpartikelabstand der Probe ohne
WSCP beträgt 3,8 nm, der der Probe mit WSCP 9,0 nm. b) TEM-
Aufnahmen einiger repräsentativer Dimere mit den zugehörigen Interparti-
kelabständen.
Gesamtkonformation sehr exibel und die Proteine müssen nicht zwingend in der Konfor-
mation der Kristallstrukturen vorliegen. Auÿerdem benden sich die GNPs in einer etwa
100 nm dicken Eisschicht, in welcher sie in der z-Ebene diagonal positioniert sein können.
Ersteres führt zu der ebenfalls im Histogramm zu sehenden auällig breiten Verteilung der
Interpartikelabstände, letzteres ebenfalls zu einer Unterschätzung der gemessenen Abstän-
de.
Fazit
Mit Hilfe von Cryo-TEM-Aufnahmen lassen sich die tatsächlichen Probenzusammenset-
zungen ermitteln, da der Zustand der Probe in Lösung durch das Einfrieren festgehalten
wird. Die in den vorherigen Kapiteln getätigten Aussagen, dass in den Proben ohne WSCP,
bzw. ohne signikante Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks gegenüber denen der
citrat-stabilisierten GNPs, hauptsächlich Monomere vorhanden sind, können bestätigt wer-
den.
Die Vergröÿerung des mittleren Abstands zwischen den Partikeln in der Probe mit
WSCP weist eindeutig die Vernetzung der GNPs durch das WSCP nach. Bei Bindung an
WSCP entstehen auch Dimere, allerdings machen Monomere und höhere Oligomere hö-
here Anteile in der untersuchten Probe aus. Die Cryo-TEM-Aufnahmen unterstützen die
These, dass auf Grund verschiedener Artefakte auf normalen TEM-Proben die gefunde-
nen Probenzusammensetzungen nicht immer zu den Ergebnissen der Extinktionsspektren
verschiedener Proben korrelieren (vgl. Abschnitt 4.3.1).
98
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
In den vorherigen Kapiteln wurde gezeigt, dass die WSCP-vermittelte Assemblierung von
GNPs auf drei verschiedenen Wegen verwirklicht werden kann: Zum einen können citrat-
stabilisierte GNPs über die Bindung an die metallanen His6-Tags des WSCPs assembliert
werden. Zum anderen können die GNPs mit Hilfe der SA-Biotin-Bindung verknüpft werden.
Dafür können sowohl SA-stabilisierte GNPs als auch PEG-stabilisierte GNPs eingesetzt
werden. Die auf TEM-Proben gefundenen Dimeranteile lagen jedoch bei maximal 30%
(SA-stabilisierte GNPs, siehe Abschnitt 4.3.1).
In einem zweiten Schritt sollen deshalb die Dimere in den Lösungen angereichert werden,
um für die anschlieÿenden einzelmolekülspektroskopischen Untersuchungen eine möglichst
hohe Dimerbelegung der Proben zu gewährleisten. Es wurde bereits gezeigt, dass stabili-
sierte GNPs mittels Gröÿenausschlusschromatographie [190, 213], Gelelektrophorese [39,
80] und verschiedenen zentrifugationsbasierten Methoden [190, 213217] nach Aggregat-
gröÿe getrennt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden vor allem die
Zentrifugation und Gelelektrophorese eingesetzt. Dabei wurde die Trennung mit Hilfe von
Zentrifugation hauptsächlich an citrat-stabilisierten und SA-stabilisierten WSCP-GNP-
Aggregaten untersucht. Für die citrat-stabilisierten WSCP verbrückten Aggregate konnte
keine Gelelektrophorese durchgeführt werden, da hierfür zur Gewährleistung der Leitfä-
higkeit Puerlösungen eingesetzt werden müssen, in denen die GNPs sofort aggregierten.
Gelelektrophorese wurde also nur an SA-stabilisierten und PEG-stabilisierten WSCP-GNP-
Aggregaten durchgeführt. Eine Trennung mittels Gröÿenausschlusschromatographie wur-
de ebenfalls getestet, erzielte aber keine Verbesserungen gegenüber den anderen beiden
Methoden und soll daher nicht Gegenstand der folgenden Diskussion sein.
4.5.1. Viskositätsgradientenzentrifugation
Die Auftrennung der Aggregate mittels Zentrifugation beruht auf den unterschiedlichen
Sedimentationsgeschwindigkeiten unterschiedlich groÿer oder unterschiedlich dichter Par-
tikel. Die stationäre Sedimentationsrate v eines Partikels mit dem Durchmesser d wird
mit der Stokes-Gleichung beschrieben:
d2(p   l)  g
v = . (4.1)
18
Dabei sind L und p die Dichte des umgebenden Mediums und des Partikels. g ist die
Erdbeschleunigung und  die Viskosität des umgebenden Mediums. Partikel mit einem
gröÿeren Durchmesser und/oder einer höheren Dichte sedimentieren also schneller als
kleinere Partikel bzw. Partikel mit einer geringeren Dichte.
Prinzipiell wird in drei Varianten unterschieden: Bei der dierentiellen Zentrifugation
wird schrittweise die Zentrifugalkraft erhöht, je nach Dichte und Gröÿe der Partikel sedi-
99
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Tabelle 4.2.: Berechnete zurückgelegte Strecken während einer 30-minütigen Zentrifugation
bei 1000 g von GNP-Monomeren mit einem mittleren Durchmesser von 45 nm
und von den mit der typischen Gröÿenverteilung der GNPs möglichen Dimeren
Typ d bzw. d 13eq / nm Strecke / cm
Monomer 38 0,3
Monomer 45 0,5
Monomer 52 0,6
Dimer aus zwei 38 nm Monomeren 49 0,6
Dimer aus zwei 45 nm Monomeren 57 0,8
Dimer aus zwei 52 nm Monomeren 66 1,0
Dimer aus einem 38 nm und einem 52 nm Monomer 48 0,5
mentieren die Partikel bei unterschiedlichen Zentrifugalkräften. Diese Variante wurde für
GNPs schon mehrfach publiziert, um gezielt Dimere und Trimere anzureichern [190, 213]
und unterschiedliche Partikelgröÿen voneinander zu trennen [214]. Eine andere Möglichkeit
besteht im Aufbau eines Viskositäts- und/oder Dichtegradienten im Zentrifugengefäÿ. Die
Probe wird auf der Schicht mit der geringsten Dichte/Viskosität platziert. Ähnlich groÿe
Partikel sammeln sich in Bändern, dabei sedimentieren groÿe Partikel schneller als kleine.
Eine isopyknische Zentrifugation, bei der das Medium die gleiche Dichte aufweist, wie die
anzureichernden Partikel, ist für GNPs auf Grund ihrer hohen Dichte nicht möglich. In
den meisten Veröentlichungen wird eine Dichte- bzw. Viskositätsgradientenzentrifuga-
tion zur Trennung unterschiedlicher GNP-Partikelgröÿen bzw. -formen und unterschied-
lich groÿer GNP-Aggregate verwendet [214219]. In der vorliegenden Arbeit wurden zur
Trennung Saccharoselösungen eingesetzt, da diese für alle Varianten der GNPs verwen-
det werden können. Für die Trennung der SA-stabilisierten bzw. der PEG-SA-stabilisierten
GNPs musste hierbei darauf geachtet werden, dass die Lösungen stets einen pH-Wert grö-
ÿer als 7,0 besaÿen, da die GNPs sonst auf Grund fehlender elektrostatischer Abstoÿung
aggregierten (vgl. Abschnitt 4.3.1).
Da GNPs mit 19 300 kgm=3 eine hohe Dichte besitzen, besteht die gröÿte Schwierigkeit
darin, das uide Medium für die Zentrifugation so zu wählen, dass die verschieden groÿen
Partikel eine ausreichend hohe Sedimentationsgeschwindigkeitsdierenz besitzen. Zusätz-
lich stellt die typische Gröÿenverteilung der GNPs ein Problem dar. Zur Veranschaulichung
dieser Problematik sind in Tabelle 4.2 exemplarisch für eine typische Gröÿenverteilung der
GNPs einer Probe mit einem mittlerem GNP-Durchmesser von 45 nm  7 nm die zurück-
gelegten Strecken bei einer Zentrifugation in 50 wt%-iger Saccharoselösung bei 1000 g
nach 30 min zusammengefasst. Die Strecken für die verschiedenen Dimere, welche in
einer solchen Probe vorliegen können, wurden mit deren äquivalenten Durchmessern13
13Der äquivalente Durchmesser ist der Durchmesser eines Monomers mit dem gleichen Volumen wie das
Dimer.
100
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
bestimmt. Die exemplarisch gewählten Parameter würden für diese GNPs nicht zu einer
gezielten Anreicherung von Dimeren führen. Beispielsweise legen sowohl Monomere mit
einem Durchmesser von 45 nm und 52 nm und Dimere, welche aus zwei kleinen Mono-
meren mit einem Durchmesser von 38 nm Monomeren sowie Dimere, welche aus einem
groÿen und einem kleinen Monomer bestehen, in dieser Zeit die gleiche Strecke zurück.
Eine gezielte Anreicherung von Dimeren in einem Medium homogener Dichte bzw. Visko-
sität ist de facto unmöglich, da sich Monomere und Dimere relativ homogen im Medium
verteilen würden, und entsprechend auch gleichzeitig (bei gleicher Zentrifugalkraft) den
Boden des Zentrifugengefäÿes erreichen würden.
Zur Erhöhung der Trennleistung ist es sinnvoll, einen Gradienten einzustellen [214,
219]. Die Geschwindigkeitsunterschiede für einen Partikel in unterschiedlich dichten bzw.
viskosen Medien können aus Gleichung 4.1 mit
v1 P   l1
=
v2 P   l2
und
v1 2
=
v2 1
abgeschätzt werden. Mit Werten von typischerweise eingesetzten Saccharosekonzentra-
tionen von 30 wt% und 60 wt% [220] ergeben sich folgende Geschwindigkeitsunterschiede:
v1 19 300 kgm
 3   1130 kgm 3
= = 1, 009
v2 19 300 kgm 3   1290 kgm 3
und
v  3  1  11 59  10 kgm s
= = 1, 8.
v 3, 2  10 32 kgm 1 s 1
Die Dichte des üssigen Mediums hat also kaum einen Einuss auf die Sedimentations-
geschwindigkeit eines Goldpartikels. Der in einigen Veröentlichungen verwendete Begri
des Dichtegradienten im Zuge der Separation von GNPs unterschiedlicher Gröÿe, Form
oder Aggregatgröÿe [218, 221], ist daher eher irreführend, da die Trennleistung nur auf
die unterschiedlichen Viskositäten des üssigen Mediums zurückzuführen sein kann.
Nach [219] führen abrupte Änderungen der Viskosität zu einer besseren Trennleistung,
da beispielsweise die Monomere an der Schicht der höheren Viskosität gegenüber den
Dimeren und anderen gröÿeren Aggregaten abgebremst werden können.
Die Durchführung der im Folgenden diskutierten Experimente ist in Abschnitt 3.1 be-
schrieben.
Ergebnisse
Es wurde eine Probe SA-stabilisierter GNPs mit einem mittleren Durchmesser von (52
 7) nm präpariert. Die GNPs wurden mit fünf Äquivalenten WSCP zur Aggregation
101
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
gebracht. Die Spektren der citrat-stabilisierten, SA-stabiliiserten und der WSCP-GNP-
Aggregate sind in Abbildung 4.34a gezeigt. Eine TEM-Aufnahme der Partikel ndet sich
in Abbildung 4.34b sowie Abbildung A.1l.
In Abbildung 4.34c und d sind die Ergebnisse nach der Zentrifugation der SA-stabilisierten
WSCP-verbrückten GNP-Aggregate zusammengefasst. Die beiden gezeigten Beispielex-
perimente unterscheiden sich in der Art der eingesetzten Gradienten: In Beispiel in 4.34c
wurde der Viskositätgradienten möglichst kontinuierlich eingestellt (homVG), während in
Beispiel in 4.34d die Viskosität abrupt geändert wurde (abrVG). In den beiden gezeig-
ten Fotos sind die deutlich unterschiedlichen Trennleistungen zu erkennen. Für das in
Abbildung 4.34d gezeigte Beispiel der abrupten Änderung der Viskosität ist eine klar ab-
getrennte zweite Bande unterhalb der oberen Bande zu erkennen, während im Beispiel
homVG (Abbildung 4.34c) nur eine breite Bande erkennbar ist, dessen Farbe sich von
oben nach unten von rot nach blau ändert.
Nach Entnahme der einzelnen in den Fotos mit Pfeilen markierten Bereichen wurden
von diesen die gezeigten Extinktionsspektren aufgenommen und TEM-Aufnahmen an-
gefertigt. Die Ergebnisse nach Auszählung von jeweils mindestens 54 Aggregaten pro
Fraktion sind in den beiden Histogrammen zusammengefasst. In beiden Beispielen konn-
ten in den Fraktionen F1 die Monomere sehr gut angereichert werden (100% und 80%),
was auch die Extinktionsspektren beider Fraktionen beweisen. In Abbildung 4.35 sind für
einen einfacheren Vergleich die Extinktionsspektren beider Fraktionen F1 zusammen mit
den Spektren der citrat-stabilisierten GNPs und der SA-stabilisierten GNPs gezeigt. Beide
Spektren sind im Vergleich zu dem der citrat-stabilisierten GNPs zu höheren Wellenlängen
verschoben, sodass davon auszugehen ist, dass die SA-Passivierung noch intakt ist. Sie
zeigen aber keinerlei Anzeichen für eine Aggregation. Es ist nicht davon auszugehen, dass
die SA-Passivierung durch die Zentrifugation beschädigt wird.
Bei genauerer Betrachtung der aus den TEM-Aufnahmen ermittelten Zusammenset-
zungen der Fraktionen F3 in Abbildung 4.34 fällt auf, dass nur bei Verwendung von einem
Viskositätsgradienten mit abrupter Änderung (Beispiel d) der Viskosität eine Anreicherung
von Dimeren stattndet, die von homVG entnommene Fraktion F3 besteht hingegen aus
allen möglichen Aggregatgröÿen. Exemplarische TEM-Aufnahmen der Dimerfraktion von
abrVG mit einem Dimeranteil von 44% sind in Abbildung 4.36 gezeigt.
Diese unterschiedliche Anreicherung der Dimere ist auf die Sedimentationsgeschwindig-
keitsunterschiede der GNPs in den beiden Gradienten zurückzuführen, welche in Abbildung
4.37 mit Hilfe der Auftragung der Sedimentationsgeschwindigkeiten für die Monomere bei
der gewählten Zentrifugalbeschleunigung von 2300 g für die jeweiligen Saccharoseschich-
ten verdeutlicht werden sollen. Die Geschwindigkeiten ändern sich für Beispiel d deutlich
stärker von der obersten (1) zur untersten Schicht (5). Die abrupte Änderung der Sedi-
mentationsgeschwindigkeit bremst oenbar die Monomere an einer Schichtgrenze zu einer
Schicht mit deutlich höherer Viskosität ab, während die Dimere etwas schneller über die
Schichtgrenze hinweg in die Schicht höherer Viskosität diundieren können. Gleichzeitig
102
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.34.: a) Extinktionsspektren der citrat-stabilisierten und der korrespondieren-
den SA- und WSCP-GNPs. b) Exemplarische TEM-Aufnahme der GNPs.
c) und d) Zusammenfassung der Ergebnisse zur Anreicherung von Dime-
ren (SA-GNPs) mittels Viskositätsgradientenzentrifugation. In den Skizzen
links neben den Fotos nach der Zentrifugation sind die wt% der Schichten
eingetragen. Für die gezeigten Histogramme wurden pro Probe mindestens
54 Partikel gezählt.
103
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Abbildung 4.35.: Extinktionsspektren der beiden Fraktionen F1 der Experimente aus Abbil-
dung 4.34, der SA-stabilisierten GNPs sowie der citrat-stabilisierten GNPs.
Die Spektren der Fraktionen F1 sind fast deckungsgleich mit dem Spek-
trum der SA-stabilisierten GNPs und im Vergleich zum Spektrum der citrat-
stabilisierten GNPs deutlich zu gröÿeren Wellenlängen verschoben. Daher
ist davon auszugehen, dass die SA-Stabilisierung der GNPs durch die Zen-
trifugation nicht zerstört wird.
Abbildung 4.36.: Exemplarische TEM-Aufnahmen der Fraktion F3 aus Abbildung 4.34d (ab-
rVG)
104
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.37.: Geschwindigkeit eines 50 nm groÿen GNPs bei der in den in Abbildung
4.34 gezeigten Experimenten verwendeten Zentrifugalbeschleunigung für
die jeweiligen Saccharoseschichten (1 = oben, 5 = unten)
muss allerdings sichergestellt sein, dass sich die gröÿeren Aggregate zu Beginn der Zen-
trifugation deutlich schneller durch die oberen Schichten bewegen können, um diese von
den Monomeren und Dimeren abtrennen zu können. Daraus resultiert eine mit dem Auge
erkennbare Trennung beider Banden.
Abschlieÿend soll festgehalten werden, dass in allen durchgeführten Experimenten eine
Verringerung des Monomeranteils von den oberen zu den unteren Fraktionen vorhanden
war. Der maximale erzielte Dimeranteil lag bei 44%, im Vergleich zu dem vor der Tren-
nung erzielten maximalen Anteil von 30%. Die Anreicherung gelingt nur unter Einhaltung
folgender Parameter:
 möglichst geringe Gröÿenverteilung der GNPs, durch Wahl geeigneterer Synthese-
routen zur Darstellung groÿer, sphärischer GNPs ,
 experimentell sorgfältige Präparation des Gradienten im Zentrifugengefäÿ, um die
abrupte Änderung der Viskosität zu gewährleisten,
 Verdoppelung der Viskosität von einer Schicht zur nächsten und
 Viskosität der Startschicht sollte ausreichend hoch sein (mindestens 40 wt% Sac-
charose,  = 6, 2  10 3 kgm 1 s 1).
Prinzipiell kann die Methode auch genutzt werden, um PEG-stabilisierte WSCP-GNP-
Dimere anzureichern, allerdings lag das Augenmerk im Rahmen dieser Arbeit auf der
Anreicherung PEG-stabilisierter GNPs mittels Gelelektrophorese (siehe Abschnitt 4.5.3),
sodass die Ergebnisse hier nicht gesondert diskutiert werden. Ein exemplarisches Experi-
ment mit PEG-stabilisierten GNPs ist im Anhang zusammengefasst.
105
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie an mit Hilfe von VGZ aufgetrennten Proben
An einer weiteren Probe mit WSCP-assemblierten SA-stabilisierten GNPs wurden nach der
Auftrennung mit Hilfe von VGZ zusätzlich Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie durchge-
führt, um zu überprüfen, ob das WSCP auch nach den Zentrifugationsvorgängen an den
GNPs gebunden ist. Die GNPs hatten einen mittleren Durchmesser von (46  5) nm
(TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1m) und wurden mit einem Äquivalent WSCP zur
Reaktion gebracht. Die Extinktionsspektren sind in Abbildung 4.38a gezeigt.
Ein Foto des Zentrifugengefäÿes zusammen mit den markierten Positionen, an welchen
die vier Fraktionen entnommen wurden ist in Abbildung 4.38b dargestellt, die Extinktions-
spektren sind in Abbildung 4.38c gezeigt, die an Hand von TEM-Aufnahmen ermittelte
Zusammensetzung der einzelnen Fraktionen ist in Abbildungsteil (d) zu sehen. Für die
Extinktionsspektren und die TEM-Proben wurde die Saccharose aus den Lösungen mit-
tels Zentrifugation entfernt und die GNPs in Puer pH 7,8 gelöst. Insgesamt nimmt der
Monomeranteil von F1 nach F4 von 88% auf 52% ab, der Gesamtaggregateanteil steigt
von 12% auf 46%. Für die FCS-Messungen wurden die Fraktionen F1 bis F3 verwendet.
An Hand der Spektren kann auf Grund der geringen Dimeranteile in den Fraktionen nicht
eindeutig nachgewiesen werden, dass die GNPs auch nach der Zentrifugation noch mit
WSCP verknüpft sind, bzw. WSCP an den GNPs vorliegt. Die zum Nachweis des WSCPs
durchgeführten FCS-Messungen wurden von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit
durchgeführt [187].
Die Ergebnisse der FCS-Messungen der Fraktionen F1 und F3 sind in Abbildung 4.39
zusammengefasst. Die Zeitspuren beider Fraktionen F1 (Abbildung 4.39a) und F3 (Abbil-
dung 4.39b) unterscheiden sich entsprechend den ermittelten Probenzusammensetzungen
deutlich voneinander: Die Anzahl intensiver Peaks ist bei F1 deutlich geringer als bei F3.
Auf die Darstellung der Ergebnisse der Fraktion F2 wurde hier verzichtet, diese verhielt
sich den Extinktionsspektren und Probenzusammensetzungen entsprechend: Die Fluores-
zenzintensität der Zeitspur war höher als bei F1, aber geringer als bei F3.
Die Fluoreszenzkorrelationsfunktionen beider Fraktionen und des reinen WSCPs sind in
Abbildung 4.39c dargestellt. F1 zeigt eine sehr geringe Signalintensität und -häugkeit,
sodass die Korrelationsfunktion innerhalb des Messzeitraumes nicht vollständig ausgebil-
det wurde, tendenziell ist sie gegenüber dem reinen WSCP zu längeren Diusionszeiten
verschoben. Die Korrelationsfunktion von F3 ist gegenüber der des reinen WSCPs und
leicht gegenüber der von F1 zu längeren Diusionszeiten verschoben.
Zusätzlich sind in Abbildung 4.39d Fluoreszenzemissionsspektren zu den mit Pfeilen in
den Zeitspuren in Abbildung 4.39a markierten Zeitpunkten gezeigt. Für die Fraktion F1 ist
zu den Zeitpunkten, an denen kein intensiver Peak in den Zeitspuren vorhanden ist, keine
eindeutig zuzuordnende WSCP-Fluoreszenz vorhanden. Ist in der Zeitspur ein intensiver
Peak vorhanden, ist auch das WSCP-Spektrum sehr intensiv. Im Falle von F3 ist über den
gesamten Messzeitraum intensive WSCP-Fluoreszenz beobachtbar.
106
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.38.: Ergebnisse der Viskositätsgradientenzentrifugation der für die FCS-
Messung verwendeten Probe: a) Extinktionsspektren der SA-GNPs und
der mit WSCP assemblierten SA-GNPs. b) Skizze des Zentrifugengefäÿes
(die wt% der Saccharoselösungen sind angegeben) und Foto des Gefäÿes
nach der Zentrifugation. c) Extinktionsspektren der vier Fraktionen nach
Entfernung der Saccharose aus den Lösungen durch Zentrifugation. d) Aus
TEM-Proben ermittelte Zusammensetzung der drei Fraktionen nach Ent-
fernung der Saccharose aus den Lösungen. Für jeden Probe wurden min-
destens 170 Partikel gezählt.
107
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Abbildung 4.39.: Ergebnisse der Untersuchungen der Proben aus Abbildung 4.38. a) Zeitspur
der Fraktion F1 b) Zeitspur der Fraktion F3 c) Korrelationsfunktionen der
Fraktionen F1 und F3, sowie einer reinen WSCP-Lösung d) Exemplarische
Spektren für die in a) und b) mit Pfeilen markierten Zeitpunkte zur Überprü-
fung, dass es sich bei den ausgewerteten Signalen um WSCP-Fluoreszenz
handelt. Die Integrationszeit betrug 1 s.
Aus diesen Versuchen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: In der Fraktion
F1 mit sehr wenigen Aggregaten sind nur wenige intensive Peaks in der Zeitspur vorhan-
den. Entweder ist die WSCP-Konzentration in der Probe sehr gering (es existieren kei-
ne WSCP-GNP-Monomere), oder das an Monomere gebundene WSCP uoresziert nur
schwach. Im Falle der Fraktion F3, in welcher deutlich mehr Aggregate vorhanden sind,
sind Signalhäugkeit und mittlere Signalintensität höher. Die Diusionszeit des WSCPs in
der Fraktion F3 ist gegenüber der einer reinen WSCP-Lösung deutlich höher. Das WSCP
muss also auch nach der VGZ an den GNPs gebunden sein, eine Ablösung des WSCPs
von den GNPs durch die Zentrifugation in einem Saccharosegradienten ndet nicht statt.
4.5.2. Abstandsabhängigkeit der Plasmonenresonanz
Im Rahmen der durchgeführten Experimente zur Dimeranreicherung mittels VGZ gelang
auch eine Anreicherung von citrat-stabilisierten WSCP-verknüpften GNP-Dimeren. Die
Ergebnisse des Experiments sind im Anhang in Abbildung A.8 zusammengefasst. Die lon-
gitudinale Plasmonenresonanzfrequenz von GNP-Dimeren ist, wie in Abschnitt 2.1.2 erläu-
108
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
tert, abstandsabhängig. Interessant ist nun ein Vergleich der Plasmonenresonanzfrequenz
einer Dimerfraktion mit SA-stabilisierten GNPs, welche theoretisch einen deutlich gröÿeren
Interpartikelabstand besitzen, mit denen der citrat-stabilisierten GNPs, sowie ein Vergleich
beider Plasmonenresonanzen mit simulierten Daten. Eine Abschätzung, inwiefern in einer
Fraktion viele intakte Dimere enthalten sind, wäre experimentell vor dem Hintergrund der
aufwendigen TEM-Messungen und -Analysen hilfreich.
Der mittlere Durchmesser der für die direkte Assemblierung eingesetzten GNPs betrug
(45  11) nm, der der SA-stabilisierten GNPs (52  7) nm. Das Experiment, welches
zu der untersuchten Dimerfraktion der SA-stabilisierten GNPs führte, wurde in Abschnitt
4.5.1 diskutiert (Extinktionsspektren sind in Abbildung 4.34 gezeigt). Die Extinktionsspek-
tren der citrat-stabilisierten GNPs sowie der einzelnen Fraktionen sind in den Abbildungen
A.8a und b dargestellt.
In Abbildung 4.40a sind die aus TEM-Aufnahmen bestimmten Zusammensetzungen der
Dimerfraktionen der citrat- und SA-stabilisierten GNPs gezeigt. Unter der Annahme, dass
die TEM-Aufnahmen in etwa die Zusammensetzungen der Proben widerspiegeln14, sollten
beide Fraktionen eine sehr ähnliche Zusammensetzung aufweisen. In Abbildung 4.40b
sind die Extinktionsspektren beider Dimerfraktionen dargestellt. Zusätzlich sind auch die
Extinktionsspektren der Monomerfraktionen F1 beider Experimente gezeigt, die citrat-
stabilisierten GNPs des SA-Experiments sind ebenfalls dargestellt, da die Beschichtung
der GNPs mit SA eine Verschiebung der Plasmonenresonanz zu höheren Wellenlängen zur
Folge hat (vgl. Abschnitt 4.3.1). Die an Hand von TEM-Aufnahmen ermittelten leichten
Gröÿenunterschiede der GNPs beider Experimente haben keinen Einuss auf die Lage und
Breite der Plasmonenresonanzpeaks (rote durchgezogene Linie und schwarze gestrichelte
Linie).
Die Extinktionsspektren der beiden Dimerfraktionen in Abbildung 4.40b unterscheiden
sich zum einen jeweils deutlich von den Spektren der Monomerfraktionen, zum anderen
unterscheiden sich beide Spektren der Dimerfraktionen voneinander: Das Spektrum der
citrat-stabilisierten GNPs weist ein zweites Extinktionsmaximum auf, das Maximum bei
kürzeren Wellenlängen liegt bei der gleichen Frequenz wie das Maximum der Monomerfrak-
tion. Dagegen ist das Extinktionsspektrum der Dimerfraktion der SA-stabilisierten GNPs
gegenüber dem Monomerspektrum lediglich deutlich verbreitert und um etwa 10 nm zu
höheren Wellenlängen verschoben. Da beide Proben eine sehr ähnliche Zusammensetzung
und fast identische Monomerspektren besitzen, können die Unterschiede der Dimerspek-
tren nur auf die unterschiedlichen Interpartikelabstände zurückzuführen sein.
14In den Abschnitten 4.3.1, 4.3.2 und 4.4 wurde erläutert, dass die aus den TEM-Aufnahmen ermittelte
Zusammensetzung häug nicht mit den aus den Extinktionsspektren erwartbaren Zusammensetzungen
korreliert. Bei beiden vorgestellten Proben waren aber hauptsächlich Dimere vorhanden, sodass davon
ausgegangen wird, dass diese sich nicht auf Grund der Probenpräparation gebildet haben.
109
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Abbildung 4.40.: a) Histogramm mit den aus TEM-Aufnahmen bestimmten Probenzusam-
mensetzungen der beiden diskutierten Dimerfraktionen. b) Extinktionsspek-
tren der beiden Monomer- und Dimerfraktionen. Für das Experiment mit
SA-stabilisierten GNPs ist zusätzlich das Spektrum der citrat-stabilisierten
GNPs aufgetragen. c) Vergleich der simulierten Monomer- und Dimer-
spektren mit den gemessenen Extinktionsspektren der citrat-stabilisierten
GNPs. d) Vergleich der simulierten Monomer- und Dimerspektren mit den
gemessenen Extinktionsspektren der SA-stabilisierten GNPs. Das gemes-
sene Monomerspektrum ist in diesem Fall das der ursprünglichen citrat-
stabilisierten GNPs.
110
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Tabelle 4.3.: Übersicht über die Interpartikelabstände der citrat-stabilisierten und SA-
stabiliserten GNP-Dimere und die für die Simulationen verwendeten Abstände
citrat-stabiliserte SA-stabilisierte
Dimere Dimere
theoretischer Abstand Kristallstruktur / nm 6-8 12-15
korrespondierender Abstand Simulation / nm 5 15
Abstand TEM-Aufnahmen / nm  2 9
korrespondierender Abstand Simulation / nm 2,5 10
Vergleich der gemessenen Extinktionsspektren mit simulierten Spektren
Die Monomer- bzw. für die SA-stabilisierten GNPs deren citrat-stabilisierte Ausgangspar-
tikel und die Dimerspektren beider Varianten wurden mit simulierten Daten verglichen.
Die Simulationen wurden von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit in Zusam-
menarbeit mit Thorsten Schumacher (Arbeitsgruppe Prof. Markus Lippitz, Universität
Bayreuth) durchgeführt und freundlicherweise zur Verfügung gestellt.
Die Simulationen wurden für die aus den Kristallstrukturen abgeschätzten Interparti-
kelbstände s und unter Berücksichtigung der an Hand der TEM-Aufnahmen für beide
Assemblierungsvarianten erhaltenen Abstände durchgeführt. Es standen simulierte Spek-
tren für Interpartikelabstände von 2,5 nm, 5 nm, 7,5 nm, 10 nm und 15 nm zur Verfügung.
Insgesamt sind die Abstände auf den TEM-Aufnahmen kleiner als aus den Kristallstruk-
turen zu erwarten ist. Im Falle der citrat-stabilisierten GNPs sind hier Abstände von 2,5
nm (kleinster Abstand, für den eine Simulation durchgeführt wurde) und 5,0 nm (theore-
tische Gröÿe des WSCPs) verwendet worden. Da die Dicke der PEG-Monolage für PEGs
mit 20 Ethylenglykoleinheiten lediglich 3,5 nm beträgt [222], und die PEGs, welche in
der vorliegenden Arbeit verwendet wurden, wesentlich kürzer sind (elf Einheiten im Fall
des Biotin-PEGs und vier im Fall des COOH-PEGs), wird angenommen, dass der Inter-
partikelabstand nur geringfügig durch die PEG-Monolagen beeinusst wird. Daher wurde
der für PEG-stabilisierte GNPs an Hand der Cryo-TEM-Aufnahmen ermittelte mittlere
Abstand etwa 9 nm (siehe Abschnitt 4.4) auch für die hier untersuchten SA-stabilisierten
GNP-Dimere als plausibel angenommen. Aus den Kristallstrukturen von WSCP und SA er-
gibt sich ein theoretischer Interpartikelabstand von 15 nm. Die Daten der SA-stabilisierten
GNP-Dimere wurden entsprechend mit dem simulierten Datensatz für einen Interpartikel-
abstand von 10 nm und 15 nm verglichen. Zum besseren Verständnis fasst Tabelle 4.3 die
Werte nochmals zusammen.
Die simulierten und experimentellen Spektren der Monomer- und Dimerfraktionen der
citrat-stabilisierten GNPs sind in Abbildung 4.40c gezeigt, die der SA-stabilisierten GNPs
in Abbildung 4.40d. Im Fall der SA-stabilisierten GNPs wurde an Stelle des Monomerspek-
trums das Spektrum der ursprünglichen citrat-stabilisierten GNPs (gestrichelte schwarze
111
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Kurve in Abbildung 4.40b) für den Vergleich mit dem simulierten Spektren herangezogen,
da sich durch die SA-Monolage der Plasmonenresonanzpeak verschiebt (vgl. Abschnitt
4.3.1), was bei den Simulationen nicht berücksichtigt wurde.
Der Vergleich der simulierten Monomerspektren mit den experiementellen Monomer-
spektren zeigt zunächst, dass die Spektren der gemessenen Fraktionen deutlich verbreitert
sind (schwarze durchgezogene Linien und schwarze gestrichelte Linien). Dies ist auf die
in der Realität vorhandene Polydispersität der Partikelgröÿe und -form zurückzuführen.
Die simulierten Dimerspektren wurden wie folgt erhalten: Es wurde angenommen, dass
die Fraktionen nur aus Monomeren und Dimeren bestehen (die Trimere wurden also ver-
nachlässigt) und daraus die relativen Monomer- und Dimeranteile beider Dimerproben
bestimmt. Es ergibt sich für die citrat-stabiliserten GNPs ein Verhältnis von 29% Mo-
nomeren zu 70% Dimeren, und für die SA-stabilisierten GNPs ein Verhältnis von 38%
Monomeren zu 62% Dimeren. Die simulierten Monomer- und Dimerspektren wurden für
die gezeigten Spektren diesen Anteilen entsprechend gewichtet und addiert.
Die Diskussion der Dimerspektren kann auf Grund der Polydisperität der Proben und
der daraus resultierenden bereits relativ starken Abweichung der GNP-Monomerlösungen
gegenüber den simulierten Spektren nur qualitativ erfolgen. Zunächst sollen die Ergebnisse
der citrat-stabilisierten GNPs betrachtet werden.
Auf Grund der starken Wechselwirkung der Partikelplasmonen bei kurzen Interpartikel-
abständen liegt die longitudinale Dimermode bei relativ hohen Wellenlängen, wodurch in
den Spektren zwei deutlich voneinander separierte Resonanzpeaks zu erkennen sind: einer
bei 537 nm und einer bei 590 nm (s = 2,5 nm) bzw. 625 nm (s = 5 nm) . Gemes-
sene Spektren und simulierte Dimerspektren zeigen keine Verschiebung der transversa-
len Plasmonenmode bei 537 nm. Das höherwellige Extinktionsmaximum des gemessenen
Spektrums kann der londitudinalen Dimermode mit einem Interpartikelabstand von 2,5 nm
zugeordnet werden. Zwar stimmt das Intensitätsverhältnis der beiden Peaks des gemes-
senen Dimerspektrums nicht mit dem des simulierten Spektrums für s = 2,5 nm überein,
aber die spektrale Lage beider Plasmonenresonanzpeaks korrespondiert gut mit der simu-
lierten. Im Wellenlängenbereich zwischen 570 nm und 600 nm, also genau in dem Bereich,
in dem die longitudinale Dimermode mit s = 5 nm ihr Maximum hat, ist die Extinktion
der Probe deutlich höher als die des simulierten Spektrums von s = 2,5 nm. Dies deutet
darauf hin, dass in der Probe auch Dimere mit gröÿeren Interpartikelabständen von etwa
5 nm vorhanden sind. Werden die ungefähre Ausdehnung, die vielfältigen Möglichkeiten
der Orientierung eines WSCP-Tetramers zwischen zwei GNPs und der in den Simulatio-
nen nicht einbezogene erhebliche Anteil höherer Oligomere in der Lösung berücksichtigt,
passen die gemessenen Daten qualitativ erstaunlich gut zu den theoretisch erwarteten.
Im Falle der SA-stabilisierten GNPs können nur die Unterschiede zwischen Monomer-
und Dimerspektrum mit den entsprechenden Unterschieden der simulierten Spektren ver-
glichen werden, da die dielektrische Umgebung der GNPs durch die Beschichtung mit SA
geändert wurde. Die spektralen Positionen der simulierten Spektren für s = 10 nm und
112
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
s = 15 nm unterscheiden sich kaum (Abbildung 4.40d). Bei einem Abstand von 10 nm
hat das Extinktionsspektrum eine deutlich deniertere Struktur, vergröÿert sich der Inter-
partikelabstand auf 15 nm ist das Dimerspektrum nicht mehr strukturiert und weist nur
noch eine breite Bande auf. Das gleiche ist auch für das gemessene Monomerspektrum
und das gemessene Dimerspektrum zu erkennen: Das Dimerspektrum ist wie oben bereits
beschrieben, gegenüber dem Monomerspektrum verbreitert und zu höheren Wellenlängen
verschoben. Die gemessenen Daten lassen sich also qualitativ mit den simulierten Spektren
beschreiben.
Unter der Berücksichtigung, dass die in beiden Dimerfraktionen (citrat- und SA-stabili-
sierte GNPs) vorhandenen Anteile höherer Oligomere sowie die Polydispersität der GNPs
für die Simulationen nicht berücksichtigt wurden, beschreiben die simulierten Daten qua-
litativ gut die Positionen der Extinktionsmaxima der Monomer- und Dimerfraktionen.
4.5.3. Gelelektrophorese
Die Trennung mit Hilfe der Viskositätsgradienten führte zwar zu einer Anreicherung der
Dimere, allerdings waren die gefundenen Dimeranteile von bis zu 44% nicht optimal.
Als weitere Methode wurde daher eine gelelektrophoretische Anreicherung der Dimere
getestet. Diese wurde an Proben mit SA- und PEG-stabilisierten GNPs durchgeführt.
Die Gelelektrophorese wurde bereits zur Trennung verschiedener GNP-Partikelgröÿen-
und -formen [223, 224], zur Anreicherung monofunktionalisierter GNPs [39, 225], aber
auch zur Trennung von unterschiedlich groÿen GNP-Aggregaten [226] bzw. zur gezielten
Anreicherung von GNP-Dimeren [39, 80, 92] eingesetzt. Sie basiert auf der unterschied-
lichen Mobilität verschieden groÿer und/oder geladener Partikel bzw. Aggregate im elek-
trischen Feld. Kleine Partikel mit einer hohen Oberächenladung bewegen sich schneller
im Gel als groÿe Partikel mit kleiner Oberächenladung.
Die Trennung mit Hilfe der Gelelektrophorese kann auf Grund der nötigen Salzfrachten
im Lösungsmittel zur Sicherstellung der Leitfähigkeit nur mit SA- und PEG-stabilisierten
GNPs durchgeführt werden. Die SA- und PEG-stabilisierten GNPs verhielten sich dabei
gleich.
Die Durchführung der hier vorgestellten Versuche ist in Abschnitt 3.1 erläutert. Die
Trennung der Proben funktionierte bei 100 V bis 150 V und 0,8 wt%igen bis 1,3 wt%igen
Agagrosegelen mit Puern mit leicht basischen pH-Werten am besten. Der Puer muss
einen leicht basischen pH-Wert haben, um eine negativ geladene GNP-Ligandenhülle und
somit eine ausreichende Stabilität und eine ausreichende Mobilität der GNPs im Gel zu ge-
währleisten. Es stellte sich während der Experimente auÿerdem heraus, dass die Aggregate
in den GNP-Lösungen nicht zu groÿ bzw. die GNP-Lösung nicht zu hoch konzentriert sein
darf, da sonst die Poren des Gels beim Einlaufen der Proben aus den Taschen in das Gel
verstopfen können. Eine weitere Schwierigkeit bestand in der Einstellung einer geeigneten
Konzentration der Agarosegele. Bei zu hohen Konzentrationen kann es zu den bereits
113
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
erwähnten Verstopfungen der Poren kommen, oder die Mobilität der GNPs war zu gering,
sodass keine eziente Trennung der Proben zu beobachten war. Im Prinzip muss für jede
Probe getestet werden, welche Gelkonzentration bei welcher Spannung funktioniert.
Analytische Gelelektrophorese
Abbildung 4.41a zeigt Extinktionsspektren von SA-stabilisierten GNPs und zwei Proben
mit WSCP-verbrückten SA-stabilisierten GNPs. Diese hatten WSCP-GNP-Verhältnisse
von 0,5:1 und 2:1, der mittlere Durchmesser der GNPs betrug (47  7) nm (TEM-
Aufnahme der GNPs siehe Abbildung A.1e). Es ist davon auszugehen, dass in der Probe
mit einem Verhältnis von 2:1 mehr und gröÿere Aggregate vorhanden sind als in der
Probe mit einem Verhältnis von 0,5:1. Dies spiegelt sich auch in den Extinktionsspektren
wider. Ein Foto dieser Proben nach einer Gelelektrophorese ist in Abbildung 4.41b gezeigt.
Die Probe ohne WSCP sollte nur wenige Aggregate beinhalten (vgl. Abschnitt 4.3.1),
Abbildung 4.41.: a) Extinktionsspektren der Proben vor und b) Foto des Gels nach durchge-
führter Gelelektrophorese. Der Pfeil links zeigt die Laufrichtung der Proben
an, die anderen Pfeile verdeutlichen die Positionen der entstandenen Ban-
den. Die Unterschiede der drei Proben sind deutlich zu erkennen. Für die
SA-stabilisierten GNPs ohne WSCP ist nur eine Bande erkennbar. Für die
Probe mit einem WSCP-GNP-Verhältnis von 0,5:1 sind 3 Banden zu er-
kennen, der Bereich hinter der dritten Bande ist fast farblos, während der
gleiche Bereich im Falle der Probe 2:1 lila-blau gefärbt ist. Dies ist auf die
auch an Hand der Extinktionsspektren zu erkennenden höheren Zahl grö-
ÿerer Aggregate in dieser Probe zurückzuführen. (Einstellungen: 1,3 wt%
Agarosegelkonzentration, 0,5 X TBE pH 8,3, 100 V, 15 min.)
entsprechend ist nach der Gelektrophorese auch nur eine Bande vorhanden. Die Probe
0,5:1 hat zwei intensive Banden, eine dritte Bande ist nur ganz schwach zu erkennen.
Hinter dieser dritten Bande ist das Gel fast farblos. Die zwei ersten Banden sind für die
Probe 2:1 im Gegensatz dazu weniger intensiv, die dritte Bande ist aber stärker ausgeprägt.
Der Bereich hinter der dritten Bande, welcher bei der Probe 0,5:1 fast farblos ist, ist
lila-blau gefärbt. In der Probe sind also deutlich mehr gröÿere Aggregate und weniger
Monomere vorhanden als in der Probe mit einem WSCP-GNP-Verhältnis von 0,5:1.
114
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
In einem weiteren Versuch (Abbildung 4.42) wurde überprüft, ob so erhaltene Banden
auch auf die Anreicherung unterschiedlich groÿer Aggregate zurückzuführen sind. Hier-
für wurden PEG-stabilisierte GNPs mit einem mittleren Partikeldurchmesser von (42  7)
nm mit zwei Äquivalenten WSCP umgesetzt (PEG-Verhältnis 1 Biotin-PEG:1000 COOH-
PEG). Das Gel wurde an den entsprechenden Stellen mit einem Skalpell eingeschnitten
und in die entstandenen Taschen TEM-Netzchen platziert. Durch erneutes Anlegen der
Spannung für etwa 1 min liefen die GNPs aus dem Gel und wurden direkt auf den TEM-
Netzchen immobilisiert. Ein Foto des Agarosegels mit den eingesetzten TEM-Netzchen
ist in Abbildung 4.42a gezeigt. Auf diesem sind die unterschiedlichen Farben, hervorge-
rufen durch die unterschiedlichen Aggregatgröÿen, sehr gut zu erkennen. Auÿerdem ist
in Abbildung 4.42b das Histogramm der Probenzusammensetzung gezeigt. In Abbildung
4.42c sind exemplarische TEM-Aufnahmen der drei Banden dargestellt.
In der vorderen Bande sind mit über 85% fast ausschlieÿlich Monomere vorhanden, in
der mittleren Bande etwa 50% Monomere und 50% Dimere. Der Dimeranteil ist somit
der höchste, welcher im Rahmen aller durchgeführten Experimente zur Anreicherung von
Dimeren erzielt wurde. In der hinteren Bande benden sich lediglich 20 % Monomere,
20% Dimere und insgesamt über 50% Trimere und gröÿere Aggregate. Der in dieser
Bande gefundene Monomeranteil ist der geringste, welcher im Rahmen aller Experimente
erreicht wurde. Folglich ist die Trennleistung der Gelelektrophorese deutlich besser, als die
der VGZ.
Präparative Gelelektrophorese
Für die geplanten einzelmolekülspektroskopischen Untersuchungen der Dimere müssen
die Proben aus den Agarosegelen extrahiert werden. Hierzu wurden die entsprechenden
Gelstücke ausgeschnitten und in Dialysemembranen zusammen mit Puer erneut in der
Elektrophoresekammer platziert. Durch erneutes Anlegen einer Spannung liefen die GNPs
aus dem Gel in den Puer und konnten im Anschluss mit einer Pipette entnommen wer-
den. Abbildung 4.43 zeigt ein Beispiel für die Extinktionsspektren der so erhaltenen GNP-
Lösungen mit SA-stabilisierten GNPs mit einem mittleren Durchmesser von (48  7)
nm (TEM-Aufnahme der GNPs siehe Abbidlung A.1f), welche zuvor mit 1,5 Äquivalen-
ten WSCP assembliert wurden. Die Extinktionsspektren in Abbildung 4.43a zeigen, dass
Probenzusammensetzungen der aus der vorderen und hinteren Bande extrahierten GNPs
beinahe deckungsgleich sind. Die Aggregate in der hinteren Bande konnten demzufolge
auf diese Weise nicht aus dem Gel extrahiert werden. Um die Ursachen hierfür abzu-
schätzen, wurde das Extinktionsspektrum der hinteren Bande nochmals zusammen mit
den Extinktionsspektren der SA-stabilisierten GNPs und dem der WSCP verbrückten SA-
stabilisierten GNPs vor der Gelelektrophorese aufgetragen (Abbildungen 4.43b und c). Im
vergröÿerten Ausschnitt in Abbildung 4.43c ist gut zu erkennen, dass das Plasmonenre-
sonanzmaximum der aus der hinteren Bande extrahierten GNPs dem der SA-stabilisierten
115
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
Abbildung 4.42.: Ergebnisse der Auftrennung von PEG-stabilisierten WSCP-verbrückten
GNP-Aggregaten. Das PEG-Verhältnis war 1 Biotin-PEG:1000 COOH-
PEG. a)Foto des Gels nach dem Einsetzen der TEM-Netzchen b) Histo-
gramm mit den aus TEM-Aufnahmen ermittelten Probenzusammensetzun-
gen. Pro Probe wurden mindestens 180 Partikel gezählt. Der Maÿstabsbal-
ken beträgt 1 m in allen Aufnahmen. c) exemplarische TEM-Aufnahmen
der drei Bänder (Einstellungen: 0,8 wt% Agarosegelkonzentration, 0,5 X
TBE pH 8,3, 150 V, 15 min.)
116
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.43.: Ergebnis der präparativen Gelelektrophorese von SA-stabilisierten WSCP-
verbrückten GNPs (1,5 WSCP pro GNP) a) Spektren der aus der vor-
deren und hinteren Bande nach der Gelelektrophorese extrahierten GNP-
Lösungen und b) Vergleich des Spektrums der GNPs aus der hinteren Ban-
de mit den Spektren der SA-stabilisierten und der mit WSCP aggregierten
SA-stabilisierten GNPs. c) Vergröÿerter Ausschnitt von b). (dGNPs) = (47
 7) nm, TEM-Aufnahme der GNPs siehe Abbildung A.1e)
117
4.5. Anreicherung der Nanoantennen
GNPs entspricht, gleichzeitig ist die Absorbanz bei 630 nm bis 700 nm etwas erhöht. Wä-
ren die GNP-Aggregate noch intakt, sollten sich ähnliche Extinktionsspektren wie nach
der Trennung mittels Viskositätsgradientenzentrifugation ergeben (siehe Abbildung 4.35).
Die vorliegenden Spektren sehen aber deutlich anders aus, sodass davon auszugehen ist,
dass eine Desaggregation stattgefunden hat. Dafür können zwei Ursachen in Betracht ge-
zogen werden: Entweder löst sich die SA-Passivierungsschicht von der GNP-Oberäche,
oder die Biotin-SA-Bindung ist nicht stabil genug.
Um zu überprüfen, welche Ursache die Auösung der Aggregate durch den Extrahie-
rungsvorgang hat, wurde das Experiment mit PEG-stabilisierten GNPs mit einem mittleren
Durchmesser von (42  7) nm wiederholt (TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1h). Das
PEG-Verhältnis betrug 1 Biotin-PEG:1000 COOH-PEG, und die Partikel wurden mit 0,5
Äquivalenten WSCP assembliert. Die Extinktionsspektren der erhaltenen GNP-Lösungen
sind in Abbildung 4.44a gezeigt. Es zeigt sich das gleiche Bild wie für die SA-stabilisierten
GNPs aus Abbildung 4.43. Die Extinktionsspektren der aus den beiden Banden extrahier-
ten GNPs sind fast deckungsgleich. Beide Extinktionsspektren sind gegenüber dem vor
der Gelelektrophorese aufgenommenem Spektrum zu kürzeren Wellenlängen verschoben,
und fast deckungsgleich mit dem Extinktionsspektrum der SA-funktionalisierten PEG-
stabilisierten GNPs ohne WSCP. Die vor der Gelelektrophorese vorhandenen Aggregate
liegen nach der Extrahierung der Proben aus dem Gel nicht mehr vor. Zur zusätzlichen
Überprüfung dieser Tatsache sind die Proben für die Anfertigung von TEM-Aufnahmen
mittels Zentrifugation konzentriert worden. Die Extinktionsspektren der konzentrierten
Proben sind in Abbildung 4.44b als gestrichelte Linien dargestellt. Die Extinktionsspek-
tren vor und nach dieser Zentrifugation sind fast deckungsgleich. Entsprechend sind auch
die aus den TEM-Aufnahmen ermittelten Zusammensetzungen in Abbildung 4.44c beider
Banden nahezu gleich.
Die Zersetzung der Aggregate während der Extrahierung der Proben aus den Agaro-
segelen ndet sowohl bei SA- als auch bei PEG-stabilisierten GNPs statt. Damit ist die
Ursache der Auösung auf eine nicht ausreichend stabile Biotin-SA-Bindung an den GNPs
zurückzuführen, und nicht auf die Ablösung des SAs von den GNP-Oberächen. Dies kor-
reliert auch zu den Kräften, welche zum Brechen der unterschiedlichen Bindungen in dem
System benötigt werden: Zum Brechen einer Thiol-Gold-Bindung werden etwa 0,6 nN
benötigt [205], während für eine SA-Biotin-Bindung nur 0,25 nN benötigt werden [227,
228]. Die Biotin-SA-Bindung ist damit deutlich schwächer als die Schwefel-Gold-Bindung.
Vermutlich ist die SA-Biotin-Bindung an beiden GNP-Varianten sogar noch schwächer, da
das Biotin aus sterischen Gründen nicht vollständig in die Bindungstasche des SAs passt.
Die Instabilität der Aggregate ist demnach der Instabilität der Biotin-SA-Bindung ge-
schuldet, welche für die auftretenden Spannungsspitzen beim Übertritt vom Gel in den
Puer und die daraus resultierenden auf die GNPs wirkenden Kräfte zu schwach ist.
118
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.44.: a) Extinktionsspektren von PEG-stabilisierten GNPs (PEG-Verhältnis 1
Biotin-PEG:1000 COOH-PEG), der mit 0,5 Äquivalenten WSCP assem-
blierten GNPs und Spektren der GNPs nach der Extrahierung aus dem
Agarosegel. b) Vergleich der Extinktionsspektren der aus den Gelen ex-
trahierten GNPs vor und nach der Zentrifugation zur Aufkonzentrierung
der Proben zur Anfertigung der TEM-Proben. c) Ergebnis der Analyse
der TEM-Aufnahmen beider beider extrahierter Proben. Pro Probe wurden
mindestens 140 Partikel gezählt. (dGNPs = (42  7) nm, TEM-Aufnahme
siehe Abbildung A.1h)
119
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
4.5.4. Fazit
Mit Hilfe von Saccharosegradienten konnten Dimere bis zu einem Anteil von 44% angerei-
chert werden. Die Entfernung von Dimeren aus den GNP-WSCP-Aggregatlösungen ist re-
produzierbar möglich. In den einzelnen Fraktionen konnte mittels Fluoreszenzkorrelations-
spektroskopie das Vorliegen von an GNPs gebundenem WSCP nachgewiesen werden. Ein
Vergleich der Extinktionsspektren der Dimerfraktionen WSCP-verknüpfter citrat-stabilisierter
GNPs und WSCP-verknüpfter SA-stabilisierter GNPs zeigte die theoretisch erwarteten un-
terschiedlichen longitudinalen Plasmonenresonanzfrequenzen (vgl. Abschnitt 2.1.2). Die
Monomer- und Dimerfraktionen beider GNP-Varianten können qualitativ gut mit simulier-
ten Spektren beschrieben werden.
Die Trennung mittels Gelelektrophorese führte gegenüber den Experimenten mit Vis-
kositätsgradientenzentrifugation zu einer verbesserten Anreicherung der Dimere, konnte
aber nicht erfolgreich präparativ durchgeführt werden. Bei der Extrahierung der Proben aus
den Gelstücken zersetzen sich die Aggregate, sodass nur noch Monomere in den Proben
vorhanden waren. Die Zersetzung der Aggregate wurde auf die unzureichende Stabilität
der SA-Biotin-Bindung zurückgeführt.
Die Gelelektrophorese erlaubt prinzipiell nicht nur eine Anreicherung von Dimeren, son-
dern auch eine Anreicherung von mono-, di- usw. funktionalisierten GNPs [39]. Die Me-
thode ist daher sehr vielversprechend für in Zukunft durchzuführende Experimente, da
auch monofunktionalisierte GNPs angereichert und im Anschluss weiter umgesetzt werden
könnten. Weiterführende Experimente sollten aber nicht auf Basis der SA-Biotin-Bindung
durchgeführt werden. Denkbar wäre beispielsweise, WSCP mit Thiol-Gruppen auszustat-
ten, die direkt an die GNP-Oberäche binden können. Zur Auftrennung mittels Gelelek-
trophorese wäre eine anschlieÿende Passivierung der GNP-Oberäche mit Rinderalbumin
(BSA, engl. bovine serum albumin) [198, 229] oder PEG-Derivaten [39] denkbar.
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an
Goldnanoantennen
Zur Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an den GNPs wurde ein kombinierter Ver-
suchsaufbau verwendet, welcher es erlaubt, sowohl simultane rasterkraftmikroskopische
(Atomic Force Microscopy, AFM) und einzelmolekülmikroskopische Messungen an den
Proben durchzuführen, als auch Fluoreszenzspektren einzelner Moleküle zu messen (Sin-
gle Molecule Spectroscopy, SMS). Alle im folgenden vorgestellten Experimente wurden
von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit durchgeführt [187].
Der verwendete Versuchsaufbau bietet mehrere Vorteile: Zum einen können die La-
ge, Orientierung und geometrischen Ausmaÿe der GNPs ermittelt werden. Gleichzeitig
können Fluoreszenzspektren und Intensitätszeitspuren der an bzw. zwischen den GNPs
bendlichen einzelnen WSCPs gemessen werden. An Hand der spektralen Lage des Fluo-
120
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.45.: Exemplarische a) rasterkraftmikroskopische und b) uoreszenzmikroskopi-
sche Übersichtsaufnahmen einer Einzelmolekülprobe zur Veranschaulichung
der Vorgehensweise zur Kolokalisierung der GNPs mit uoreszenten Spots.
Die WSCP-verbrückten GNPs wurden auf mit APTES funktionalisierten
Gläschen immobilisiert (siehe Abschnitt A.1.6).
reszenzspektrums kann überprüft werden, ob es sich bei einem auf dem Fluoreszenzbild ge-
fundenen Spot um WSCP-Fluoreszenz handelt. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund
wichtig, dass auch reine GNPs ohne WSCP in einem ähnlichen Wellenlängenbereich pho-
tolumineszieren [230]. Zum anderen können aus den Emissionszeitspuren die vom WSCP
emittierten Photonen pro Zeiteinheit ermittelt werden, an Hand derer überprüft werden
kann, ob eine Fluoreszenzverstärkung und/ oder eine verstärkte Anregung des WSCPs
durch das Dimerfeld auftritt.
Im folgenden werden Ergebnisse der Untersuchungen an citrat-stabilisierten,
SA-stabilisierten und PEG-stabilisierten WSCP-verknüpften GNP-Dimeren vorgestellt. De-
tails zu den Proben, wie WSCP-GNP-Verhältnisse und mittlere Partikelgröÿe der GNPs,
werden an den entsprechenden Stellen genannt.
4.6.1. Überprüfung des Messprinzips
Zur Überprüfung des Messprinzips wurde eine Probe mit WSCP-verbrückten
SA-stabilisierten GNPs verwendet. Untersucht wurde die Dimerfraktion der mittels VGZ
aufgetrennten Probe aus Abbildung 4.34d (siehe Abschnitt 4.5.1, S. 103). Die
SA-stabilisierten GNPs mit einem mittleren Durchmesser von (52  7) nm wurden vor der
Auftrennung mit fünf Äquivalenten WSCP umgesetzt. Eine TEM-Aufnahme der GNPs ist
in Abbildung 4.34b gezeigt. Die GNP-Strukturen wurden mittels Dropcasting auf silani-
sierten Glassubstraten immobilisiert. Die genaue Vorgehensweise sowie der Versuchsauf-
bau sind in Abschnitt A.1.6 beschrieben, eine ausführliche Beschreibung ndet sich in der
Masterarbeit von Marcus Held [187].
Zur Veranschaulichung der Vorgehensweise sind in Abbildung 4.45 exemplarisch ein
Fluoreszenzbild und ein von der gleichen Region aufgenommenes AFM-Bild gezeigt. Diese
dienen der Kolokalisierung der Fluoreszenzspots mit den auf der AFM-Aufnahme abge-
121
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
bildeten Partikeln. Zu Beginn wurden das AFM-Höhenbild und das Fluoreszenzbild kolo-
kalisiert (Abbildung 4.45). Konnte dabei ein uoreszenter Spot auf dem Fluoreszenzbild
einem GNP auf dem AFM-Höhenbild zugeordnet werden, wurde dieser Partikel mit hö-
herer Auösung erneut rasterkraftmikroskopisch untersucht und eine Fluoreszenzzeitspur
sowie eine Serie von Fluoreszenzspektren aufgenommen.
In Abbildung 4.46 sind exemplarisch die AFM-Höhenbilder, Fluoreszenzzeitspuren und
die Fluoreszenzspektren eines Monomers, Dimers und eines Trimers dargestellt. Für alle
drei gezeigten Strukturen können eindeutige WSCP-Fluoreszenzspektren gemessen wer-
den. Auällig bei den gezeigten Beispielen ist zunächst die deutlich höhere Photonenzähl-
rate im Falle des Dimers gegenüber dem Monomer und dem Trimer, sowie die deutlich
höhere Anzahl an Stufen in der Zeitspur des Trimers. Eine tiefer gehende Analyse der
Dimere soll in den folgenden Abschnitten durchgeführt werden. Das Auftreten der deut-
lich höheren Anzahl an Zuständen im Falle des Trimers deutet auf das Vorliegen mehrerer
WSCPs im Laserfokus hin, sodass davon auszugehen ist, dass die GNPs des Trimers mit
mehreren WSCPs verknüpft sind. In Abbildung 4.46b (Dimer) ist in den gezeigten Spektren
zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Messung zu erkennen, dass nach dem Auszustand
nach etwa 5 s eine spektrale Verschiebung des WSCP-Spektrums erfolgt. Es sei darauf
hingewiesen, dass Blinken, mit oder ohne spektrale Verschiebung der Fluoreszenz auch
bei Messungen von reinem WSCP auftritt. Auch stufenweises Bleichen, oder Zeitspuren
mit nur einer Stufe bis zum irreversiblen Bleichen wurden sowohl bei reinem WSCP, als
auch bei WSCP-GNP-Aggregaten beobachtet. Exemplarische Zeitspuren und Spektren
von Messungen von reinem WSCP sind im Anhang A.1.8 in Abbildung A.12 dargestellt.
Geringe Dimeranteile auf den AFM-Höhenbildern
Die auf den AFM-Aufnahmen gefundenen Dimeranteile lagen bei allen Proben unter denen
mittels TEM-Aufnahmen ermittelten. Zum einen ist dies auf eine Zersetzung der Dimere
während der Lagerung zurückzuführen, wie es beispielsweise bei der in Abbildung 4.46
vorgestellten Probe. Die Extinktionsspektren und die aus TEM- und AFM-Aufnahmen
ermittelten Zusammensetzungen sind in Abbildung 4.47 gezeigt. Anhand der Extinktions-
spektren der frischen GNP-Lösung und der sechs Tage alten Lösung ist eine Verschiebung
des Extinktionsmaximums um 9 nm zu kürzeren Wellenlängen zu beobachten. Dies ist im
Zusammenhang mit der aus den AFM-Aufnahmen ermittelten Zusammensetzung auf die
Desaggregation der Dimere und anderer Aggregaten zurückzuführen, welche auch in nicht
aufgetrennten Proben beobachtet wurde (vgl. Abschnitt 4.3.1).
Die Diskrepanz zwischen Dimeranteilen, welche mittels TEM-Aufnahmen bestimmt
wurden, und denen, die auf den AFM-Aufnahmen ermittelt wurden, war allerdings bei al-
len Messreihen vorhanden, auch wenn die Proben direkt nach der Präparation untersucht
wurden. Zusätzlich werden mit normalen TEM-Aufnahmen die Aggregateanteile eher
unterschätzt (siehe Abschnitt 4.4, S. 96). Es scheinen also zusätzliche, die Dimeranteile
122
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.46.: Exemplarische AFM-Bilder, Fluoreszenzzeitspuren und Fluoreszenz-
emissionsspektren eines a) SA-GNP-Monomers, b) SA-GNP-Dimers und
c) SA-GNP-Trimers aus der in Abschnitt 4.5.1, S. 103, Abbildung 4.34d
vorgestellten Dimerfraktion. Die Spektren in a) und c) wurden mit einer
Integrationszeit von 5 s von Sekunde 0 bis 5 aufgenommen.An Hand der
Fluoreszenzspektren kann eindeutig bestimmt werden, ob es sich bei den
detektierten Photonen um WSCP-Fluoreszenz handelt. Die Anregungsleis-
tung betrug 72 W/cm2.
123
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
Abbildung 4.47.: a) Extinktionsspektren der Dimerfraktion direkt nach der Anreicherung der
Dimere mit Viskositätsgradientenzentrifugation und nach sechstägiger La-
gerung (dunkel, 6 C) direkt vor der einzelmolekülspektroskopischen Mes-
sung b) Histogramm der Probenzusammensetzungen, welche an Hand von
TEM-Aufnahmen der frisch angereicherten Probe und an Hand von AFM-
Aufnahmen der sechs Tage alten Probe ermittelt wurden.
auf den Proben verringernde, Eekte vorhanden zu sein (beispielsweise eine Zersetzung
der (nicht vollständig) auf den Probenträgern immobilisierten Dimere durch das Waschen
der Gläschen mit mq-Wasser).
4.6.2. Polarisationsabhängigkeit des Dimerplasmons
Wie eingangs erwähnt, ist die Ausbildung eines verstärkten Feldes im Zwischenraum zwei-
er GNPs von der Anregungspolarisation relativ zur Dimerorientierung abhängig: Ein ver-
stärktes Feld im Zwischenraum der Dimere (an der Position des WSCPs) tritt nur bei
attraktiver Wechselwirkung beider Partikelplasmonen auf, welche wiederum nur bei einer
zur Dimerverbindungsachse parallelen Polarisation des einfallenden Feldes gewährleistet
ist (vgl. Abschnitt 2.1.2). Diese Polarisationsabhängigkeit soll im folgenden experimentell
überprüft werden.
Exemplarisch ist hierfür in Abbildung 4.48 das Ergebnis einer Messung mit linear polari-
sierter Anregung an einem mit PEG-stabilisiertem WSCP-GNP-Dimer gezeigt. Die GNPs
hatten einen mittleren Durchmesser von (52  7) nm, wurden mit einem PEG-Verhältnis
von 4000 COOH-PEG:1 Biotin-PEG stabilisiert und mit zwei Äquivalenten WSCP assem-
bliert. An Hand des in Abbildungsteil (a) gezeigten AFM-Höhenbilds kann die räumliche
Orientierung des Dimers abgelesen werden. In Abbildung 4.48b ist das Fluoreszenzbild
bei parallel zur Dimerverbindungsachse polarisierter Anregung und in Abbildung 4.48c bei
senkrecht zur Dimerverbindungsachse polarisierter Anregung gezeigt. Der bei parallel po-
larisierter Anregung helle Spot erscheint bei senkrecht polarisierter Anregung auf Grund
der repulsiven Wechselwirkung der beiden Partikelplasmonen dunkel, da kein verstärktes
Feld im Zwischenraum beider Partikel resultiert (vgl. Abbildung 4.4). Wie erwartet, ist
bei Anregung des GNP-Dimers mit einer Anregungspolarisation senkrecht zur Dimerver-
124
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.48.: Ergebnisse der Messung eines Dimers mit PEG-stabilisierten GNPs bei ge-
zielter Variation der Polarisation des Anregungslichts. a) AFM-Aufnahme
zur Ermittlung der Orientierung des Dimers, b) Fluoreszenz-Bild, aufge-
nommen unter Anregung mit parallel zur Längsachse des Dimers polari-
siertem Licht c) Fluoreszenz-Bild, aufgenommen unter Anregung mit senk-
recht zur Dimerverbindungsachse polarisiertem Licht. d) Fluoreszenzzeit-
spur und e) Fluoreszenzemissionsspektrum des Dimers nach Anregung mit
parallel zur Dimerlängsachse polarisiertem Licht. Das gezeigte Spektrum
ist eindeutig der WSCP-Fluoreszenz zuzuordnen. Die Anregungsleistung
betrug 22 W/cm2.
bindungsachse die Fluoreszenz aus (markiert mit blauem Kreis). Die in Abbildungsteil
(d) gezeigte Fluoreszenzzeitspur und das Fluoreszenzspektrum in Abbildungsteil (e), wel-
che mit parallel zur Dimerverbindungsachse eingestellter Anregungspolarisation gemessen
wurden, zeigen eindeutig, dass die detektierten Photonen bei Anregung der longitudinalen
Plasmonmode vom WSCP stammen.
Noch eindeutiger kann diese Tatsache mit einer Messung eines Dimers unter konti-
nuierlicher Änderung der Anregungspolarisation nachgewiesen werden. In Abbildung 4.49
sind die Ergebnisse einer solchen Messung zusammengefasst. Es handelte sich hier um
ein Dimer mit citrat-stabilisierten GNPs (mittlerer Durchmesser (45  6) nm), welche
mit 1,5 Äquivalenten WSCP assembliert wurden (siehe Abschnitt 4.2). Die Orientierung
des Dimers kann abermals an Hand der AFM-Abbildung in Abbildungsteil (a) abgelesen
werden. Bei Anregung des Dimers und kontinuierlicher Änderung der Anregungspolarisa-
tion wird die in Abbildunsgteil (b) gezeigte Zeitspur erhalten. Der Polarisationswinkel, bei
125
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
Abbildung 4.49.: Ergebnisse einer Messung mit kontinuierlich durchgestimmter oszillieren-
der Anregungspolarisation eines Dimers mit citratstabilisierten GNPs. a)
AFM-Aufnahme zur Ermittlung der Orientierung des Dimers. b) Fluores-
zenzzeitspur: Die detektierte Photonenzahl wird maximal, wenn die Polari-
sation des Anregungslichts bei 175° liegt, also parallel zur Dimerlängsachse
ist. Das in c) gezeigte Fluoreszenzemissionsspektrum dient dem Nachweis,
dass WSCP-Fluoreszenz detektiert wurde. Die Anregungsleistung betrug
22 W/cm2.
dem die Photonenzählrate maximal ist, liegt bei 175° 15. Ein Vergleich der Orientierung
des Dimers mit dem ermittelten Winkel zeigt, dass die maximale Fluoreszenzintensität
immer dann gemessen wird, wenn das Dimerplasmon mit entlang der Verbindungsachse
polarisiertem Licht angeregt wird. Auch hier kann durch Messen der Fluoreszenzspektren
(Abbildungsteil (c)) nachgewiesen werden, dass die detektierten Photonen vom WSCP
stammen. Da WSCP oenbar nur angeregt wird, wenn auch die longitudinale Plasmonen-
mode angeregt wird, zeigt diese Messung auch, dass sich das WSCP im Hot Spot, also
genau zwischen beiden GNPs, bendet.
4.6.3. Fluoreszenzverstärkung von WSCP an GNP-Dimeren
Ursprünglich sollten die Messungen mit zirkular polarisiertem Anregungslicht durchgeführt
werden, um für jedes Dimer unabhängig von seiner Orientierung auf der Probenäche die
15Der Polarisationswinkel kann durch Anpassen einer cos2-Funktion an die Zeitspur und der korrespondie-
ren Stellung des =2-Plättchens ermittelt werden, Details siehe Masterarbeit von Marcus Held [187].
126
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
gleiche, die longitudinale Plasmonmode anregende Anregungsleistung zu gewährleisten.
Auf Grund des verwendeten Versuchsaufbaus war dies nicht möglich. Im Fall der SA-
stabilisierten GNPs können für die Auswertung nur die Gesamtzahl emittierter Photonen
berücksichtigt werden, da das zum Messzeitpunkt vorhandene Kontrastverhältnis nicht
bekannt ist.
PEG-stabilisierte Dimere und das reine WSCP wurden mit elliptisch polarisiertem Licht
angeregt, welches ein Kontrastverhältnis von 3 (senkrechte Polarisation (0° bzw. 180°))
zu 1 (waagerechte Polarisation, 90 ° bzw. 170 °) hatte (siehe Abbildung 4.49a). Auf
Grund der Kenntnis des Kontrastverhältnisses konnten für PEG-stabilisierte Dimere ne-
ben der Summe der bis zum irreversiblen Photobleichen emittierte Photonen auch die
maximale Zahl emittierter Photonen pro Zeiteinheit sowie der Zeitpunkt des irreversi-
blen Photobleichens zur Auswertung herangezogen werden. Trotzdem stellt die elliptische
Polarisation, zusammen mit der geringen Statistik gemessener Dimere, für die Auswer-
tung ein Problem dar, da die Feldverstärkung bzw. die Erzeugung eines Dipolfeldes im
Zwischenraum beider GNPs stark von der Anregungspolarisation abhängig ist und unter
Umständen das einfallende Feld durch die Wechselwirkung der Partikelplasmonen sogar
abgeschwächt werden kann (vgl. Abschnitt 4.1 Abbildung 4.4). Zusätzlich soll nochmals
darauf hingewiesen werden, dass die Feldverstärkungen und die Lage der Plasmonenreso-
nanz eines Dimers gröÿen- und abstandsabhängig sind (siehe Abschnitt 2.1.2), und die
genaue Orientierung und Position des WSCPs nicht bekannt sind. Aus diesen Gründen
folgt hier nur eine qualitative Betrachtung der Ergebnisse.
Zunächst sollen für das an PEG-stabilisierte GNPs gebundene WSCP die Bleichzeit-
punkte und maximalen Photonenzählraten mit denen des reinen WSCPs verglichen wer-
den. Für die Experimente wurden zwei verschiedenen Proben mit PEG-stabilisierten GNPs
verwendet. Die Extinktionsspektren der GNPs, der SA-PEG-GNPs und der mit WSCP as-
semblierten GNPs sind in Anhang in Abbildung A.13a und b gezeigt. Die mittleren Durch-
messer der GNPs betrugen (52  7) nm (a)16und (42  7) nm (b)17. Die Proben wurden
mit 2 bzw. 1,5 Äquivalenten WSCP umgesetzt. Sowohl die leicht unterschiedlichen mittle-
ren Partikelgröÿen und PEG-Verhältnisse (400/4000 COOH-PEG:1 Biotin-PEG) als auch
die unterschiedlichen WSCP-GNP-Verhältnisse hatten keinen Einuss auf die durchgeführ-
ten Messungen bzw. Ergebnisse.
Im Histogramm in Abbildung 4.50a sind die für die WSCP-Referenzmessung und die
Dimere mit PEG-stabilisierten GNPs ermittelten maximalen, um die Hintergrundzählra-
ten bereinigten18, detektierten Photonenzählraten dargestellt. Das Histogramm in Abbil-
dung 4.50b zeigt die Bleichzeitpunkte19 für die gleichen Messungen. Die für die Dimere
16TEM-Aufnahme siehe Abbidlung A.1k
17TEM-Aufnahme siehe Abbidlung A.1h
18Das Untergrundsignal wurde zur Ermittlung der tatsächlich auf die WSCP-Fluoreszenz zurückzuführen-
den Werte vom Gesamtsignal subtrahiert.
19Zeitpunkt, an dem ein Sprung in der Zeitspur vorhanden ist und kein WSCP-Fluoreszenzspektrum mehr
detektiert wird.
127
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
aufgetragenen Werte wurden für die oben beschriebene elliptische Anregungspolarisation
folgendermaÿen korrigiert: Mit Hilfe eines Polarisationslters, welcher hinter dem =4-
Plättchen platziert wurde, wurde in 10°-Schritten die resultierende Leistung gemessen.
Die Korrekturfaktoren wurden durch Division der gemessenen Leistung durch die maxi-
male Leistung bestimmt. Die Orientierung der Dimere wurde aus den AFM-Aufnahmen
ermittelt. Eine senkrechte Ausrichtung des Dimers entsprach dabei einem Winkel von 0°
und einem Korrekturfaktor von 1, eine waagerechte Ausrichtung einem Winkel von 90° und
einem Korrekturfaktor von 0,32 (siehe auch Abbildung 4.49). Die ermittelten maximalen
Photonenzählraten wurden durch diese Werte dividiert, die ermittelten Bleichzeitpunkte
mit diesen Werten multipliziert. Nur so ist eine Vergleichbarkeit der gemessenen Werte
gewährleistet, da das resultierende, die longitudinale Plasmonmode anregende Feld maÿ-
geblich für die auf das WSCP wirkende Anregungsleistung ist. Allerdings muss darauf
hingewiesen werden, dass nicht nur die für jedes Dimer entsprechend seiner Orientierung
individuelle Anregungsleistung variiert, sondern auch das Dipolfeld im Zwischenraum der
GNPs abschwächende Feld (vgl. Abbildung 4.4b) mit senkrechter Polarisation zur Di-
merverbindungsachse für jedes Dimer unterschiedlich ist, was nicht berücksichtigt werden
kann.
Nichtsdestotrotz wird deutlich, dass die mittlere maximale Photonenzählrate für die
Dimere um etwa eine Gröÿenordnung höher ist (184 für WSCP, 1672 für WSCP an
Dimeren), gleichzeitig reduziert sich der mittlere Bleichzeitpunkt des WSCPs (39,9 s für
reines WSCP, 11,1 s für WSCP an GNP-Dimeren). Die maximale Anzahl emittierter Pho-
tonen der Dimere im Vergleich zu denen des reinen WSCPs ist um den Faktor 9,1 erhöht,
die mittlere Zeit bis zum Bleichen des WSCPs um den Faktor 3,6 verkürzt. Die Werte
sind in Tabelle 4.4 zusammengefasst. Unter Einbeziehung der sehr geringen Gesamtzahl
untersuchter Dimere passen beide Werte relativ gut zueinander, da auch theoretisch eine
erhöhte Anregungsrate in einer im gleichen Maÿe erhöhten Emissionsrate resultieren soll-
te, d.h. eine Verdopplung der Anregungsleistung sollte in einer Verdopplung sowohl der
maximalen Photonenzählrate als auch einer Halbierung der Lebensdauer des Fluorophors
resultieren. Es bleibt festzuhalten, dass das WSCP durch das durch die Nanoantenne
verstärkte Feld einer stärkeren Anregungsrate ausgesetzt ist.
Die theoretische Anregungsverstärkung kann aus der Feldverstärkung abgeschätzt wer-
den. Diese beträgt bei einem Interpartikelabstand von 10 nm 14 20. Daraus resultiert eine
auf das Fluorophor wirkende Anregungsverstärkung von 142 = 196 (vgl. Gleichung 2.9).
Die aus den Bleichzeitpunkten und den maximalen Photonenzählraten abzuschätzende
Anregungsverstärkung von 3,6 bis 9,1 ist deutlich geringer, als die theoretisch erwartete.
Als Ursachen hierfür kommen in Frage:
 Sättigung der WSCP-Emission durch eine wahrscheinlich real viel stärker erhöhte
20Der Abstand wurde aus den Cryo-TEM-Aufnahmen in Abschnitt 4.4 und aus den AFM-Höhenbildern
bestimmt.
128
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung 4.50.: Histogramme mit a) der maximal gemessenen Photonenzählrate und b)
der Dauer bis zum Bleichen der WSCP-Fluoreszenz von PEG-stabilisierten
WSCP-verknüpften GNP-Dimeren zusammen mit den Werten von reinem
WSCP. Die Werte der PEG-Dimere wurden wegen der elliptischen Pola-
risation des Anregungslichts so korrigiert, dass die Anregungsleistung für
alle Dimere parallel zur Dimerverbindungsachse gleich war. Es sind nur die
Photonenzählraten verwendet worden, bei denen anhand der Spektren si-
chergestellt werden konnte, dass die Photonen vom WSCP stammten.
Anregungsrate,
 ungünstige Positionierung des WSCPs, entweder nicht im Bereich der maximalen
Feldverstärkung oder zu nah an den GNP-Oberächen, sodass ein Energietransfer
auf die GNPs stattnden kann, welcher die Fluoreszenz des WSCP löscht,
 ungünstige Orientierung des Übergangsdipolmoments beider Chla-Dimere im WSCP
relativ zu den Dipolfeldlinien des Dimers und
 eine auf Grund des immer auf das Dimer auftreenden senkrecht zur Dimerlängsach-
se polarisierten Feldvektors verminderte Feldstärke, wie in Abbildung 4.4 dargestellt
(siehe S. 55).
Abschlieÿend soll überprüft werden, ob sich, abgesehen von der nachgewiesenen Ver-
stärkung der Anregung des WSCPs durch das Dimerfeld, gegebenenfalls auch die Summe
der vom an die GNPs gebundenen WSCP emittierten Photonen im Vergleich zu denen des
reinen WSCPs erhöht hat. Dies wäre ein Nachweis für eine Verstärkung der strahlenden
Abregungsraten, und würde zu der (gewünschten) Erhöhung der Fluoreszenzquantenaus-
beute und in einer tatsächlichen Fluoreszenzverstärkung resultieren. Die entsprechenden
Histogramme sind in Abbildung 4.51 gezeigt. Da die Gesamtzahl detektierter Photonen bis
zum Bleichen eines Fluorophors im linearen Bereich unabhängig von der Anregungsleistung
ist, konnten hierfür auch die mit einer nicht optimalen Justage des Set-Ups durchgeführten
Messungen an SA-GNPs ausgewertet werden. Die Ergebnisse der SA-stabilisierten GNPs
129
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
Abbildung 4.51.: Histogramme der Gesamtzahl emittierter Photonen für a) SA-stabilisierte
WSCP-verknüpfte Dimere, SA-stabilisierte GNP-Monomere mit angebun-
denem WSCP und reinem WSCP b) PEG-stabilisierten WSCP-verknüpften
GNP-Dimeren und der entsprechenden WSCP-Referenz. Die beiden Histo-
gramme der WSCP-Referenzen unterscheiden sich, da bei beiden Messun-
gen ein anderer Versuchsaufbau verwendet wurde (Details siehe [187].)
sind in Abbildungsteil (a) zusammengefasst, die der PEG-stabilisierten GNPs in Abbil-
dungsteil (b). Die in beiden Abbildungen gezeigten Daten des reinen WSCPs stammen
aus den mit den jeweiligen Versuchsaufbauten durchgeführten Referenzmessungen. Die
Daten der SA-stabilisierten GNPs stammen aus drei Proben, welche jeweils ausgehend
von den gleichen citrat-stabilisierten GNPs erhalten wurden. Zum einen kam die bereits
oben erwähnte Dimerfraktion aus Abschnitt 4.5.1 (Abbildung 4.34d, S. 103) zum Ein-
satz. Von diesen GNPs wurden zwei weitere Proben mit 2 Äquivalenten WSCP präpariert
und ebenfalls mittels VGZ aufgetrennt. Die Extinktionsspektren dieser sind im Anhang in
Abbildung A.13c gezeigt.
Die mittleren detektierten Photonenzahlen bis zum Bleichen des WSCPs sind in Tabel-
le 4.4 aufgeführt. Die mittleren Photonensummen SA-stabilisierter Dimere (12,2  104)
und Monomere (14,8  104) sind 2,6 bzw. 3,2 mal höher als die des reinen WSCPs
(4,7  104). Auch die für die PEG-Dimere im Mittel detektierte Gesamtphotonenzahl liegt
über der des reinen WSCPs, allerdings ist der Unterschied mit einem Faktor von 1,6 deut-
lich kleiner als im Falle der Messreihe mit SA-stabilisierten GNPs (4,5  104 vs. 7,0  104).
Oenbar gibt es also eine Beeinussung der WSCP-Fluoreszenz nicht nur durch die aus
dem verstärkten Feld resultierende erhöhte Anregungsrate, sondern darüber hinaus auch
eine erhöhte strahlende Rekombinationsrate. Die unterschiedlichen Werte könnten mit
den im Mittel etwas geringeren Partikelabständen bei SA-stabilisierten GNPs im Vergleich
zu den PEG-stabilisierten GNPs zurückzuführen sein. Dadurch ist der Überlapp zwischen
Plasmonenresonanz und WSCP-Fluoreszenz für die SA-stabilisierten GNPs etwas höher,
was zu den etwas gröÿeren Zahlen emittierter Photonen führt.
130
4. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Tabelle 4.4.: Zusammenfassung der spektroskopischen Einzelmoleküluntersuchung des an
GNPs gebundenen WSCPs und der Referenzmessungen mit reinem WSCP.
SA-GNPs PEG-GNPs
WSCP-Ref. Dimere Monomere WSCP-Ref. Dimere
emittierte Photonen / 104 4,7 12,2 14,8 4,5 7,0
Bleichzeitpunkt / s    39,9 11,1
max. Zählrate / 100 ms    184 1672
Erstaunlicherweise ist die Summe emittierter Photonen von an SA-stabilisierten Mono-
meren gebundenem WSCP am höchsten. Allerdings sind nur sechs Monomere gemessen
worden, von denen bei drei Partikeln nicht eindeutig zugeordnet werden konnte, ob es
sich um elongierte Monomere oder Dimere mit sehr kleinem Interpartikelabstand handel-
te, sodass für eindeutige Aussagen bezüglich einer Fluoreszenzverstärkung an Monomeren
weitere Messungen durchgeführt werden müssen.
4.6.4. Fazit
Neben der Fluoreszenzkorrelationsspektrokopie als Methode auf Ensembleniveau eignet
sich die kombinierte konfokale Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie her-
vorragend zur Überprüfung der Präparationsmethoden. WSCP-Fluoreszenzspektren konn-
ten an GNP-Dimeren aller drei vorgestellten Präparationsmethoden und auch nach einer
Aufreinigung der Proben mit Viskositätsgradientenzentrifugation gemessen werden.
Weiterhin können die Wechselwirkungen zwischen Goldnanoantennen und WSCP un-
tersucht werden. Mit Messung unter Variation der Anregungspolarisation konnte das Vor-
liegen des WSCPs im Zwischenraum beider Partikel gezeigt werden. Wurde das Plasmon
mit senkrecht zur Dimervebindungsachse polarisiertem Anregungslicht bestrahlt, konnte
keine WSCP-Fluoreszenz detektiert werden. Das Feld wurde nur, wie theoretisch vorher-
gesagt, bei einer parallel zur Dimerverbindungsachse ausgerichteten Anregungspolarisati-
on verstärkt. Für PEG-stabilisierte GNP-Dimere konnte eine Anregungsverstärkung des
WSCPs, welche aus der Feldverstärkung im Zwischenraum beider GNPs resultiert, um
einen Faktor von 3,6 bis 9,1 nachgewiesen werden. Die gefundenen Verstärkungsfaktoren
liegen deutlich unter der aus den Simulationen erwarteten Anregungsverstärkung von 196.
Für weitere Untersuchungen bezüglich der durch das Dimerplasmon veränderten, auf
das WSCP wirkenden Anregungsleistungen wäre es sinnvoll, die WSCP-Sättigungsleistung
zu ermitteln sowie die Polarisation des Anregungslichts immer auf die Orientierung des
Dimers abzustimmen. Die WSCP-verbrückten Dimere könnten auch mit geringerer Laser-
leistung angeregt werden, um die Prozesse bis zum Photobleichen des WSCPs genauer
analysieren zu können. Eventuell wäre es dann auch möglich, das WSCP dem Verhalten
bestimmter Typen des reinen WSCPs zuzuordnen (siehe Anhang A.1.8, Abbildung A.12).
131
4.6. Untersuchung der WSCP-Fluoreszenz an Goldnanoantennen
Auch spektrale Sprünge und damit einhergehende Änderungen des Überlapps zwischen
longitudinaler Plasmonenresonanz und WSCP-Fluoreszenz könnten dann besser detek-
tiert und analysiert werden.
Die Summe emittierte Photonen des WSCPs ist an GNPs höher, als die des reinen
WSCPs. Dies ist ein erster Hinweis auf eine positive Beeinussung der strahlenden Rekom-
binationsprozesse des WSCPs. Für eine endgültige Aussage hierzu muss aber die Statistik
WSCP-verbrückter Dimere vergröÿert werden. SA-stabilisierte GNPs führen zu einer etwas
gröÿeren WSCP-Fluoreszenzverstärkung als PEG-stabilisierte GNPs. Dies erscheint vor
dem Hintergrund der abstandsabhängigen Überlappung von WSCP-Fluoreszenzspektrum
und GNP-Plasmonenresonanz plausibel: Der Interpartikelabstand zwischen zwei
SA-stabilisierten GNPs sollte tendenziell kleiner sein, als bei PEG-stabilisierten GNPs,
wodurch sich der Überlapp vergröÿert. In diesem Zusammenhang sind weitere Experimen-
te mit gröÿeren GNPs und/oder kleineren Partikelabständen durchzuführen. Beides führt
zu einer Verschiebung der Plasmonenresonanz in den längerwelligen Bereich und somit
zu einem gröÿeren Überlapp mit der WSCP-Fluoreszenz (Vgl. Abschnitt 4.2). Alternativ
wäre auch der Einsatz von Chlorophyll b an Stelle des Chlorophyll a denkbar, da dieses bei
kürzeren Wellenlängen uoresziert und so stärker mit der Plasmonenresonanz überlappen
würde.
132
5. Elektronische Kopplung von
Halbleiternanokristallen und
Perylendiimid
Wie in Abschnitt 2.2.5 diskutiert, eignen sich QDs auf Grund ihrer über die Partikelgröÿe,
-form und -passivierung steuerbaren opto-elektronischen Eigenschaften hervorragend für
den Einsatz in Energie- und Ladungstransfer involvierenden Anwendungen, wie Solarzellen
[45, 136, 231] oder LEDs [6, 138]. Für den erfolgreichen Einsatz von QDs ist ein funda-
mentales Verständnis der elektronischen Wechselwirkungen mit ihrer direkten Umgebung
bzw. mit den auf ihrer Oberäche koordinierten Molekülen erforderlich.
Komplexe aus CdSe-basierten Kern-Schale QDs mit PDI wurden bereits ausführlich von
Dr. Ting Ren im Rahmen ihrer Promotion im Hinblick auf Energietransferprozesse unter-
sucht. Die hier vorgestellten Experimente sind eine Fortführung der Arbeiten von Dr. Ting
Ren [63]. Durch Einstellen der Dicke der ZnS-Passivierungsschicht konnte gezeigt wer-
den, dass der Energietransfer zwischen QDs, welche als Energiedonoren agieren, und PDI
(Energieakzeptor) eine Abstandsabhängigkeit entsprechend der Förster-Theorie von 1=s 6
aufweist (siehe Abschnitt 2.2.5) [63, 139]. Zentraler Gegenstand der durchgeführten Ex-
perimente der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der elektronischen Wechselwirkungen
von unpassivierten CdSe-QDs mit PDI.
Das verwendete PDI-Derivat ist mit zwei Carboxylat-Funktionen dekoriert, welche die
Bindung an die Kristalloberächen ermöglichen. Die Absorptions- und Fluoreszenzspektren
von diesem PDI sind in Abbildung 5.1 gezeigt. Die Fluoreszenzquantenausbeute beträgt
95%1. Die Bindung des PDIs an die QDs erfolgt durch einfaches Mischen von Farbsto-
und QD-Lösung [63], wie im Reaktionsschema in Abbildung 5.2 gezeigt. Durch anschlie-
ÿendes Ausfällen der mit PDI funktionalisierten QDs und Zentrifugieren kann das im
Anschluss im Überstand bendliche, nicht an der QD-Oberäche gebundene PDI aus den
Lösungen entfernt werden. Die spektral dem PDI zuzuordnende Absorption und Fluo-
reszenz der Komplexlösungen stammt also ausschlieÿlich von an den QDs gebundenem
PDI.
Mit dem Einsatz geeigneter QDs ist es möglich, je nach Wahl der Anregungswellenlänge
selektiv die QDs (390 nm) oder das PDI (z. B. 570 nm) in den QD-PDI-Komplexen an-
zuregen. Zur Illustration sind in Abbildung 5.3 das Absorptionsspektrum des PDIs und ein
1Bestimmt mit dem Referenzfarbsto ATTO520.
133
Abbildung 5.1.: Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektrum des verwendeten PDIs
Abbildung 5.2.: Illustration zum Aufbau der PDI-QD-Komplexe. Die genaue Beschreibung
der Synthese ndet sich in Abschnitt 3.2.
134
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.3.: a) Absorptionsspektren und b) Fluoreszenzemissionsspektren des verwende-
ten PDIs und von exemplarischen QDs (CdSe-QDs mit 1 ML CdS und 2
ML ZnS).
exemplarisches Absorptionsspektrum einer QD-Lösung gezeigt. Nach selektiver Anregung
der QDs kann der Energietransfer auf das PDI analysiert werden. Mögliche Wechselwirkun-
gen zwischen den QDs im Grundzustand und dem angeregten PDI können nach selektiver
Anregung des PDIs untersucht werden.
5.1. Charakterisierung der Halbleiternanokristalle
Neben mehreren Chargen unpassivierter CdSe-Kerne wurden für die Untersuchung des Ein-
usses der ZnS-Passivierungsschicht auf die elektronischen Wechselwirkungen zwischen
CdSe-QDs und PDI auch CdSe-basierte QDs mit einer Monolage (ML) CdS und zwei
(CdSe-2ZnS) bzw. fünf ML ZnS (CdSe-5ZnS), synthetisiert. Die Spektren der beiden
passivierten QDs und einer exemplarischen CdSe-QD-Charge sind in Abbildung 5.4 dar-
gestellt.
Die QDs wurden gezielt so synthetisiert, dass
 die Fluoreszenzemissionsmaxima aller QD-Varianten bei der gleichen Wellenlänge
liegen,
 die Fluoreszenzspektren der QDs für einen ezienten Energietransfer auf die an ihrer
Oberäche gebundenen PDIs möglichst stark mit der Absorption des PDI überlap-
pen,
 die Absorption der QDs nicht mit der Fluoreszenz des PDIs überlappt, um einen
Energietransfer vom PDI auf die QDs zu unterbinden und
 die Fluoreszenzspektren der QDs und des PDIs nicht überlappen, um die QD- und
PDI-Beiträge zur gesamten Fluoreszenzintensität der Komplexe möglichst einfach
extrahieren zu können.
135
5.1. Charakterisierung der Halbleiternanokristalle
Abbildung 5.4.: Absorptions- und Fluoreszenzspektren der CdSe-QDs, der CdSe-QDs mit 1
ML CdS und 2 ML ZnS (CdSe-2ZnS) und der CdSe-QDs mit 1 ML CdS und
5 ML ZnS (CdSe-5ZnS). CdSe-2ZnS und CdSe-5ZnS wurden ausgehend
von den gleichen CdSe-Kernen synthetisiert. Die QYF l sind in Tabelle 5.1
angegeben.
136
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.5.: Exemplarische TEM-Aufnahmen von a) CdSe, b) CdSe-2ZnS und c) CdSe-
5ZnS mit den zugehörigen Histogrammen der Gröÿenverteilungen. Die er-
mittelten mittleren Durchmesser betragen 3,3 nm für CdSe, 4,8 nm für
CdSe-2ZnS und 5,4 nm für CdSe-5ZnS.
Tabelle 5.1.: Charakterisierung der QDs
Typ  a bAbs F l d/ nm QYF l/ %, vorher QYF l/ %, nachher
CdSe 547 nm 557 nm 3,3 11 2
CdSe-2ZnS 540 nm 556 nm 4,8 68 14
CdSe-5ZnS 540 nm 555 nm 5,4 59 46
anach der QD-Synthese
bnach der Prozedur zur Synthese der Komplexe. Die Prozedur wurde ohne PDI durchgeführt.
Exemplarische TEM-Aufnahmen der drei QD-Varianten sind in Abbildung 5.5 zusam-
men mit den Histogrammen der Gröÿenverteilungen gezeigt. Die CdSe-QDs weisen eine
leicht elongierte Form auf und haben einen mittleren Durchmesser von 3,3 nm. CdSe-
2ZnS und CdSe-5ZnS wurden ausgehend von der gleichen CdSe-Kern-Charge syntheti-
siert. Die CdSe-2ZnS-QDs besitzen einen Durchmesser von 4,8 nm. Die mit nominell
fünf ML ZnS beschichteten CdSe-5ZnS-QDs sollten theoretisch einen 1,8 nm gröÿeren
Durchmesser haben als die CdSe-2ZnS-QDs2. Da der Durchmesser aber nur bei 5,4 nm
liegt, ist davon auszugehen, dass die tatsächlich vorliegende ZnS-Schichtdicke geringer
ist. Es liegen eher drei bis vier ML ZnS vor, als fünf. Die Abnahme der Intensität des
niederenergetischsten Übergangs im Verhältnis zu den höherenergetischen zusammen mit
der spektralen Verbreiterung des niederenergetischsten Übergangs sowie der leichten Ver-
2Eine ZnS-Monolage hat eine Dicke von 0,31 nm (der Abstand zwischen Ebenen entlang der [002]-Achse
im Bulk-ZnS), was zu einer Erhöhung des Durchmessers um etwa 0,6 nm pro ZnS-Monolage führt
[56].
137
5.2. Statische spektroskopische Untersuchungen
ringerung der Fluoreszenzquantenausbeute3 (siehe Abbildung 5.4d) unterstreichen, dass
die ZnS-Schicht dicker als in den CdSe-2ZnS-QDs ist. In Tabelle 5.1 sind die Parameter
der verschiedenen QDs zusammengefasst. Zur Charakterisierung der Proben wurden auch
die Fluoreszenzquantenausbeuten QYF l der QDs nach der Synthese und nach der Proze-
dur zur Herstellung der Komplexe (ohne PDI) bestimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass
sich die QYF l in Folge der Prozedur in allen drei Fällen reduziert, da durch die Prozesse
passivierende Liganden von der Oberäche der QDs entfernt werden, und so nicht strah-
lende Übergänge auf Oberächenfallenzustände gefördert werden. Auällig ist, dass die
QYF l der CdSe-2ZnS-QDs deutlich stärker abnimmt (68% auf 14%), als die der CdSe-
5ZnS-QDs (59% auf 46%), was abermals auf eine dickere und damit besser passivierende
ZnS-Schicht auf diesen QDs hindeutet.
5.2. Statische spektroskopische Untersuchungen
Nach der in Abschnitt 3.2 beschriebenen Vorgehensweise wurden PDI-QD-Komplexe mit
verschiedenen PDI-QD-Verhältnissen synthetisiert. Von diesen wurden Absorptionsspek-
tren und Fluoreszenzemissionspektren nach Anregung der QDs und des PDIs aufgenom-
men, welche in Abbildung 5.6 dargestellt sind. Es wurden Proben mit nominell 0 PDI bis
etwa 5 PDI pro QD hergestellt. Zur Bestimmung der in der Abbildung angegebenen PDI-
QD-Verhältnisse wurde folgendermaÿen vorgegangen: An Hand der Absorptionsspektren
der nalen QD-PDI-Lösungen wurde die genaue PDI-Konzentration mit dem Extinktions-
koezienten von PDI berechnet. Die nale CdSe-Konzentration wurde aus der Intensität
des ersten exzitonischen Übergangs mit der für CdSe gegebenen Formel aus [111] berech-
net. Dies war für die Kern-Schale-Partikel nicht möglich. Hier wurde davon ausgegangen,
dass die Konzentration der QDs gleich der zur Beschichtung eingesetzten CdSe-QDs ist.
Der steigende PDI-Gehalt in den Proben ist an der steigenden Absorbanz im Bereich
des Absorptionsmaximums des PDI bei etwa 570 nm deutlich bei allen drei QD-Varianten
zu erkennen. Nach selektiver Anregung der QDs mit einer Wellenlänge von 390 nm ist
bei allen QD-Varianten eine zunehmende Löschung der QD-Fluoreszenz mit steigendem
Farbstogehalt bei gleichzeitiger Zunahme der PDI-Fluoreszenzintensität zu erkennen.
Auällig ist zunächst, dass die PDI-Fluoreszenzintensität bei allen QD-Proben mit den
gröÿten PDI-QD-Verhältnissen geringer ist als die der Proben mit den nächstkleineren
Verhältnissen. Wird mit einer Wellenlänge von 570 nm selektiv PDI in den Komplexen
angeregt, steigt die Fluoreszenzintensität mit steigender PDI-Konzentration.
Zur genaueren Analyse wurden die PDI-Fluoreszenzintensitäten aus den Spektren er-
mittelt und in den Abbildungen 5.7a und b in Abhängigkeit von der PDI-Konzentration
aufgetragen. Zum Vergleich sind auch die Werte einer reinen PDI-Lösung gezeigt. Es sind,
3Die Verringerung der Fluoreszenzquantenausbeute bei Passivierung von CdSe-QDs mit Wurzit-Struktur
mit ZnS-Schichten des Zinkblende-Strukturtyps wird auf Gitterverzerrungen/-versetzungen/-fehlstellen
auf Grund der unterschiedlichen Gitterparameter zurückgeführt [56].
138
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.6.: Absorptions- und Fluoreszenzspektren der a) CdSe-PDI-Komplexe, b) CdSe-
2ZnS-PDI-Komplexe und c) der CdSe-5ZnS-PDI-Komplexe. In der linken
Spalte sind die Absorptionsspektren gezeigt, in der mittleren Spalte die Fluo-
reszenzspektren nach QD-Anregung mit einer Wellenlänge von 390 nm und
in der rechten Spalte die Fluoreszenzspektrenspektren nach PDI-Anregung
mit einer Wellenlänge von 570 nm. Alle Spektren wurden in Chloroform
gemessen.
139
5.2. Statische spektroskopische Untersuchungen
abgesehen von der CdSe-Charge aus Abbildung 5.6a, auch die Werte zweier zusätzlicher
CdSe-Chargen gezeigt.
In Abbildung 5.7a sind die Fluoreszenzemissionsintensitäten nach Anregung mit 390
nm dargestellt. Die Daten wurden für die unterschiedlichen optischen Dichten der Lösun-
gen korrigiert. Auf Grund des Energietransfers von den QDs auf die an ihrer Oberäche
gebundenen PDIs sind die Fluoreszenzintensitäten bei beiden Kern-Schale-QDs bei gerin-
gen PDI-Konzentrationen mehr als zehnmal gröÿer als im Falle von reinem PDI, wobei
die der CdSe-5ZnS-QDs etwas höher sind, als die der CdSe-2ZnS-QDs. Dies ist auf die
deutlich höhere Fluoreszenzquantenausbeute der CdSe-5ZnS-QDs (46%) im Vergleich zu
der der CdSe-2ZnS-QDs (11%) zurückzuführen, welche den erhöhten Donor-Akzeptor-
Abstand (hervorgerufen durch die gröÿere Anzahl von ZnS-Schichten) kompensiert. Bei
hohen PDI-Gehalten (letzter Datenpunkt der CdSe-5ZnS-Komplexe und die drei letzten
Punkte der CdSe-2ZnS-Komplexe) nimmt die Fluoreszenzintensität allerdings ab.
Auch die PDI-Fluoreszenzintensitäten der Komplexe mit CdSe-QDs sind bei geringen
PDI-Konzentrationen (entspricht gleichzeitig geringen PDI-QD-Verhältnissen) höher, als
die des reinen PDIs, was ebenfalls auf den Energietransfer von den angeregten QDs auf die
an ihrer Oberäche gebundenen PDIs zurückzuführen ist [63]. Die Fluoreszenzintensitäten
des PDIs sind in diesen Komplexen insgesamt deutlich geringer als bei den Kern-Schale-
QDs, da die Fluoreszenzquantenausbeuten der CdSe-Kerne nur zwischen 2% und 5%
lagen. Die leicht variierenden Intensitäten für die drei gezeigten CdSe-PDI-Komplexe sind
wahrscheinlich auf unterschiedliche Energietransferezienzen, resultierend aus den etwas
unterschiedlichen Fluoreszenquantenausbeuten der einzelnen CdSe-Chargen zurückzufüh-
ren und sollen nicht Gegenstand weiterer Diskussionen im Rahmen dieser Arbeit sein.
Viel interessanter ist die Tatsache, dass, nach der zu erwartenden Stagnation der Fluo-
reszenzintensitätszunahme des PDIs auf Grund der vollständigen Löschung der CdSe-
Fluoreszenz (vgl. Abbildung 5.6a), bei höheren PDI-Konzentrationen die Fluoreszenzin-
tensität des PDIs an den CdSe-QDs geringer ist, als die von reinen PDI-Lösungen.
Unter der Annahme, dass die PDI-Fluoreszenz nicht von den im Grundzustand bend-
lichen QDs beeinusst wird, werden bei selektiver Anregung des PDIs (Anregungswellen-
länge 570 nm) in den Komplexen die gleichen Fluoreszenzintensitäten wie bei reinen PDI-
Lösungen erwartet. Die entsprechenden Intensitäten sind in Abbildung 5.7b in Abhängig-
keit der PDI-Konzentration aufgetragen. Die PDI-Fluoreszenzintensitäten aller Komplexe
mit nicht passivierten CdSe-QDs sind aber deutlich geringer und folgen keinem linearen
Verlauf. Die Proben mit CdSe-2ZnS-QDs zeigen bei geringen PDI-Gehalten eine etwas
geringere Fluoreszenzintensität als reines PDI und die CdSe-5ZnS-QD-PDI-Komplexe,
weichen aber ab dem PDI-QD-Verhältnis von 2,3:1 stark vom linearen Verlauf des reinen
PDIs ab (der Datenpunkt der Probe mit 2,3 PDI pro QD ist mit einem Kreis markiert).
Wahrscheinlich trägt die Ursache dieser reduzierten Fluoreszenzintensitäten nach selekti-
ver Anregung des PDIs auch zu den im Vergleich zu der Probenreihe mit CdSe-5ZnS-QDs
geringeren Fluoreszenzintensitäten nach Anregung der QDs (siehe Abbildung 5.7a) bei.
140
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.7.: Zusammenfassung der PDI-Fluoreszenzintensitäten der statischen Messun-
gen. a) Darstellung der Fluoreszenzintensitäten nach QD-Anregung. Die
Werte der QD-PDI-Lösungen wurden auf eine gleiche Absorbanz der Proben
bei Exc normiert. b) Ergebnisse nach Anregung mit 570 nm.
Im Fall der mit 5 ML ZnS passivierten QDs weicht lediglich die Probe mit dem höchs-
ten PDI-QD-Verhältnis (ebenfalls markiert) vom linearen Verlauf ab. Oenbar werden die
spektralen Eigenschaften des PDIs von den QDs beeinusst, wobei die Beeinussung im
Fall der CdSe-QDs am ausgeprägtesten ist.
Die Fluoreszenzlöschung des PDIs ist nicht auf eine Wechselwirkung der
PDI-Moleküle zurückzuführen
Die Veränderung spektraler Eigenschaften von organischen Chromophoren sind im All-
gemeinen auf die Wechselwirkung der -Systeme und/oder auf C-H-Wechselwirkungen
zurückzuführen [232]. Je nach Art der Wechselwirkung werden Verschiebungen der Ab-
sorptionsspektren zu kürzeren Wellenlängen, begleitet von einer Reduzierung der Fluores-
zenzintensität (--Wechselwirkungen), oder Verschiebungen der Absorptionsspektren zu
gröÿeren Wellenlängen unter Beibehaltung der Fluoreszenzintensität beobachtet [233]. In
den vorgestellten Untersuchungen der QD-PDI-Komplexe ist die Fluoreszenzlöschung des
PDIs abhängig von der Art der eingesetzten QDs und von den PDI-Konzentrationen auf
den QDs (siehe Abbildung 5.7b). Die QDs besitzen aber nicht nur unterschiedliche elek-
tronische Strukturen, sondern auch verschieden groÿe Oberächen, welche bei gleichen
PDI-Konzentrationen pro QD zu unterschiedlichen intermolekularen Abständen zwischen
den PDIs führen. Daher wäre es denkbar, dass die Reduzierung der PDI-Fluoreszenz an
den CdSe-QDs, welche im Vergleich zu den Kern-Schale-QDs eine geringere Oberäche
pro Partikel aufweisen, aus einer Wechselwirkung der PDI-Moleküle untereinander auf der
141
5.2. Statische spektroskopische Untersuchungen
Partikeloberäche resultiert. Dieser Aspekt soll im Folgenden kurz diskutiert werden.
Molekülstrukturen des in der vorliegenden Arbeit verwendeten und zweier weiterer PDI-
Derivate (PDI II und PDI III) mit ähnlicher Molekülstruktur4 sind in Abbildung 5.8a darge-
stellt. Für Struktur II wurde in [233] eine relativ kleine Aggregationszahl von 1,4 ermittelt,
was bedeutet, dass die PDI-Moleküle hauptsächlich als Dimere und Monomere vorliegen.
Für die Struktur III, welche zusätzlich Diisopropylphenylsubstituenten in der Imidstruk-
tur besitzt, konnte gar keine Aggregation beobachtet werden. In Abbildung 5.8b sind die
Absorptionsspektren von Lösungen des unterschiedlich stark aggregierten PDI-Derivats II
gezeigt [233]. In Folge der Aggregation kommt es zu einem Verlust der Feinstruktur des
Absorptionsspektrums, und zu signikanten Änderungen der Intensitätsverhältnisse der
einzelnen Banden.
Sind die PDIs auf der QD-Oberäche nicht aggregiert, sollte sich das gemessene
Absorptionsspektrum der Komplexe aus den Beiträgen der reinen PDI- und der QD-
Absorptionsspektren nachbilden lassen. Dies wurde für die Komplexlösungen mit PDI-
Gehalten von 2,3 und 3,7 pro QD in Abbildung 5.8c durchgeführt. Für die Probe mit
2,3 PDI pro QD lässt sich das Spektrum der Komplexlösung sehr gut durch Addition der
Spektren der einzelnen Komponenten darstellen. Im Fall der Probe mit 3,7 PDI ist nur
bei einer Wellenlänge von etwa 450 nm eine Abweichung des berechneten Spektrums vom
gemessenen Spektrum zu erkennen. Sollte dies von PDI-Aggregaten herrühren, müssten
auch im restlichen untersuchten Wellenlängenbereich signikante Diskrepanzen vorhanden
sein (siehe Abbildung 5.8b). Insbesondere die zur Änderung bei 450 nm korrespondierende
Abweichung bei etwa 600 nm fehlt aber. Es wird daher davon ausgegangen, dass die ge-
fundene Abweichung nicht aus einer Aggregation des PDIs resultiert. Eventuell führt eine
durch den Komplexierungsprozess mit PDI hervorgerufene Änderung der QD-Absorption
zu dem beobachteten Unterschied.
Darüber hinaus wurden bei dem in [233] diskutierten PDI-Derivat II, im Gegensatz zu
den bei den Komplexen gemachten Beobachtungen, keine reduzierten Fluoreszenzinten-
sitäten gefunden. Allerdings kommt es in Folge der Aggregation zu einer Verschiebung
des Emissionsmaximums um 31 nm zu höheren Wellenlängen, unter Beibehaltung der In-
tensitätsverhältnisse beider Fluoreszenzbanden. Zur Überprüfung wurden die Fluoreszenz-
emissionsspektren von reinem PDI und CdSe-PDI- sowie CdSe-5ZnS-PDI-Komplexen mit
den jeweils beiden höchsten PDI-Gehalten im Maximum normiert und zusammen aufge-
tragen (Abbildung 5.8c). Spektrale Verschiebungen sind nicht vorhanden.
Des weiteren wurden unter der Annahme, dass die PDI-Moleküle auf Grund der durch
die Substituenten hervogerufenen Verdrillung auf den QD-Oberächen den gröÿtmögli-
chen Abstand zueinander einnehmen, die Abstände zwischen den PDI-Schwerpunkten für
unterschiedliche Belegungsdichten bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5.2 aufge-
führt. Selbst bei einer Belegung mit sechs PDI-Molekülen pro QD hätten die PDI-Kerne
4An Stelle der in den Bay-Positionen vorliegenden Phenoxy-Substituenten lagen tert-Butyl-Phenoxy-
Substituenten (PDI II) bzw. tert-Octylphenoxy-Substituenten (PDI III) vor.
142
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.8.: a) Molekülstruktur des in der vorliegenden Arbeit verwendeten PDIs (I) und
der PDIs aus [233] (II und III). b) Absorptionsspektren von II in verschiede-
nen Konzentrationen in Methylcyclohexan (Konzentrationsbereich von 2.2 
10  6 M bis 1.2 10  2 M) . Entnommen aus [233]. c) Absorptionsspektren
der CdSe-PDI-Komplexe (durchgezogene Linien) und die zugehörigen, aus
den Summen der Einzelspektren beider Komponenten erstellten Anpassun-
gen (Kreuze). d) Auf das Fluoreszenzmaximum normierte Spektren von rei-
nem PDI und CdSe-PDI- sowie CdSe-5ZnS-PDI-Komplexen mit den jeweils
beiden höchsten PDI-Gehalten. Die Peaks bei 570 nm sind auf gestreutes
Anregungslicht zurückzuführen.
143
5.3. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie
Tabelle 5.2.: Erwartete PDI-PDI-Abstände bei verschiedenen PDI-Belegungen der CdSe-
QDs. Berechnet wurden die Abstände zwischen den PDI-Schwerpunkten. Der
Durchmesser der CdSe-QDs betrug 3,3 nm, die Länge eines PDI-Moleküls
wurde als 2 nm angenommen [63].
PDI-Anzahl (geometrische Anordnung) PDI-Abstände
2 (Antipoden) 5,3 nm
3 (gleichseitiges Dreieck) 4,7 nm
4 (Tetraeder) 4,3 nm
5 (trigonale Bipyramide) 4,7 nma/3,8 nmb
6 (Oktaeder) 3,8 nm
avertikaler Abstand
bhorizontaler Abstand
einen 3,8 nm groÿen Abstand zueinander. Der Wert ist fast zehnmal gröÿer als die er-
mittelten --Stapelungsabstände des PDI-Derivats II aus [233], dessen Absorptionss-
pektren in Abbildung 5.8a gezeigt sind. Zusammen mit den fehlenden, auf Aggregation
hindeutenden spektralen Änderungen erscheint eine Aggregation der PDI-Moleküle auf
den CdSe-QD-Oberächen als Ursache für die reduzierten Fluoreszenzintensitäten eher
unwahrscheinlich.
5.3. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie
Zur genaueren Untersuchung des zu Grunde liegenden Mechanismus für die in Abschnitt
5.2 diskutierte PDI-Fluoreszenzlöschung an CdSe-QDs wurde von den in Abbildung 5.6 ge-
zeigten Proben Fluoreszenzzerfallskurven gemessen. Im Falle der Kern-Schale-QDs wurden
nur Experimente mit selektiver Anregung des PDIs durchgeführt, da der Energietransfer
in solchen Systemen bereits ausführlich in [62] diskutiert wurde.
Die Zerfallskurven der CdSe-PDI-Komplexe nach Anregung mit 450 nm (QD-Anregung)
und bei einer Detektionswellenlänge von 550 nm (Fluoreszenzmissionsmaximum der QDs)
sind im Anhang in Abbildung A.14 gezeigt. Die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauern
ist in Abschnitt 3.3.2 auf Seite 46 beschrieben. Die Fluoreszenzlebensdauern verkürzen
sich von 2,5 ns für reine CdSe-QDs auf 0,2 ns für die Probe mit 3,7 PDI pro CdSe-
QD. Die Beschleunigung des Zerfalls ist auf die erhöhte Akzeptorkonzentration zurück-
zuführen, kann aber zusätzlich von einer erhöhten Anzahl von Fallenzuständen auf der
QD-Oberäche in Folge des Ligandenaustauschs/der Prozesse zur Anbindung des PDIs
hervorgerufen werden (siehe Abschnitt 2.2.5). Da bereits die Fluoreszenzzerfallskurve der
reinen QD-Lösung mit vier Zerfallskomponenten angepasst werden musste, war es aber
nicht möglich, etwaige, beispielsweise durch den Energietransfer hervorgerufene, zusätzlich
auftretende Relaxationsprozesse zu analysieren.
144
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Intressanter ist die Fragestellung, ob und wie die Fluoreszenzlebensdauer des PDIs von
den verschiedenen im elektronischen Grundzustand vorliegenden QDs beeinusst wird.
Hierzu wurde in den QD-PDI-Komplexen selektiv PDI mit einer Wellenlänge von 577 nm
angeregt. Die Detektionswellenlänge der Emission lag bei 612 nm (Fluoreszenzemissi-
onsmaximum des PDI). Die gemessenen Fluoreszenzzerfallskurven sind in Abbildung 5.9
zusammengestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit sind nicht alle Proben dargestellt, die
fehlenden Kurven sind in Abbildung A.15 gezeigt. Eine übersichtliche Zusammenfassung
der mittleren amplitudengewichteten Zerfallszeiten  gibt Tabelle 5.3. Die Anpassung der
Daten erfolgte wie in Abschnitt 3.3.2 beschrieben.
Der Fluoreszenzzerfall des reinen PDIs ist biexponentiell, mit einer schnellen Zerfalls-
komponente von 0,2 ns (Amplitude 0,06) und einer langen Komponente von 6,0 ns (Ampli-
tude 0,94). Die längere Komponente ist typisch für PDI, die kürzere Komponente resultiert
aus der Änderung der Konformation des Chromopohors, welche von unterschiedlichen Ori-
entierungen der Phenoxy-Substituenten stammen [234]. Die mittlere amplitudengewich-
tete Fluoreszenzlebensdauer des reinen PDIs beträgt 5,6 ns.
Die mittleren Fluoreszenzlebensdauern des an den QDs gebundenen PDIs sind in allen
Komplexen kürzer als die des reinen PDIs. Am kürzesten sind die PDI-Fluoreszenzlebens-
dauern im Fall der Bindung an die CdSe-QDs, am längsten im Fall der CdSe-5ZnS-QD-
PDI-Komplexe. Es fällt auf, dass bei den CdSe-PDI-Komplexen keine der Zerfallskurven
zufriedenstellend mit zwei Komponenten angepasst werden konnte. Bei Komplexen mit
CdSe-2ZnS-QDs konnten die Proben bis zu einem PDI-QD-Verhältnis von 1,3:1 mit zwei
Komponenten zufriedenstellend angepasst werden, bei Komplexen mit CdSe-5ZnS-QDs
war dies bis zu einem PDI-QD-Verhältnis von 3,2:1 der Fall. Dies entspricht auch ge-
nau den Proben in Abbildung 5.7b, ab denen die Fluoreszenzintensitäten des PDIs in den
Komplexen deutlich gegenüber denen des reinen PDIs vermindert sind. Die jeweiligen Da-
tenpunkte der Proben, ab welchen die Zerfallskurven mit drei Komponenten angepasst
werden mussten, sind dort mit einem Kreis markiert. Oenbar existiert bei Proben mit
diesen Zusammensetzungen ein zusätzlicher Zerfallskanal des angeregten PDIs, welcher
aus einer Wechselwirkung mit den QDs im Grundzustand verursacht wird und von der
Art der QDs beeinusst wird. Da bereits die Fluoreszenzzerfallskurve des reinen PDIs mit
zwei Komponenten angepasst werden musste, konnte keine weitere Analyse an Hand der
einzelnen Zerfallszeiten und Amplituden durchgeführt werden. Die Zerfallszeiten und Am-
plituden der einzelnen Komponenten sind im Anhang A.2 in den Tabellen A.2, A.3 und
A.4 zusammengefasst.
145
5.3. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie
Abbildung 5.9.: Fluoreszenzabklingkurven der a) CdSe-PDI-Komplexe, b) CdSe-2ZnS-PDI-
Komplexe und c) CdSe-5ZnS-PDI-Komplexe. Zusätzlich ist jeweils die Zer-
fallskurve des reinen PDIs gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind
nicht alle Proben dargestellt, die fehlenden Zerfallskurven sind im Anhang
in Abbildung A.15 gezeigt. Für die Zerfallskurven des reinen PDIs und die
Komplexe mit den jeweils gezeigten niedrigsten PDI-Gehalten sind auÿerdem
exemplarisch die zur Bestimmung von  angepassten Fitfunktionen aufge-
tragen. Die Anregungswellenlänge lag bei 577 nm, die Detektionswellenlänge
der Emission bei 612 nm.
146
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Tabelle 5.3.: Mittlere amplitudengewichtete Fluoreszenzzerfallszeiten  der QD-PDI-
Komplexe. Für reines PDI kann die Zerfallskurve mit zwei Komponenten ange-
passt werden, die amplitudengewichtete Fluoreszenzzerfallszeit liegt bei 5,6 ns.
Die mit * markierten Proben konnten nur mit drei Komponenten zufriedenstel-
lend angepasst werden. Die Anregungswellenlänge lag bei 577 nm, die Emissi-
onswellenlänge bei 612 nm.
CdSe-PDI CdSe-2ZnS-PDI CdSe-5ZnS-PDI
PDI:QD  /ns PDI:QD  /ns PDI:QD  /ns
0,1:1 2,4* 0,1:1 3,8 0,1:1 4,0
0,5:1 2,3* 0,4:1 3,6 0,6:1 3,9
0,8:1 2,1* 0,7:1 3,4
1,3:1 2,0* 1,3:1 3,3 1,4:1 3,8
2,3:1 1,8* 2,4:1 2,8* 2,3:1 3,7
3,7:1 1,6* 3,3:1 2,6* 3,2:1 3,6
4,7:1 2,3* 4,9:1 3,4*
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie
Eine genauere Untersuchung des Energietransfers sowie der der PDI-Fluoreszenzlöschung
zu Grunde liegenden Prozesse wurde mit femtosekundenaufgelöster transienter Absorp-
tionsspektroskopie durchgeführt. Die Messung der Proben und die Analyse der Daten wur-
den von Dr. Lars Dworak aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Josef Wachtveitl (Goethe-
Universität Frankfurt am Main) durchgeführt. Im Folgenden werden die wesentlichen Er-
gebnisse der Experimente zusammengefasst.
Für die Experimente wurden CdSe-PDI-Komplexe mit PDI-QD-Verhältnissen von 0,1:1,
0,4:1, 0,8:1, 1,6:1, 3,6:1 und 5,2:1 hergestellt, die Ensemblespektren sind im Anhang
in Abbildung A.16) gezeigt. Zur Untersuchung des Energietransfers wurden selektiv die
CdSe-QDs angeregt (388 nm), zur Untersuchung der Fluoreszenzlöschung des PDIs wurde
selektiv PDI angeregt (590 nm). Die aus den statischen Spektren ermittelten Fluoreszen-
zemissionintensitäten des PDIs nach selektiver Anregung des PDIs und der CdSe-QDs
sind in Abbildung 5.7 als schwarze Vierecke dargestellt.
5.4.1. Anregung der CdSe-Nanokristalle in den Komplexen
In Abbildung 5.10 sind die 2D-Plots (zeit- und wellenlängenabhängige Darstellung der
Absorptionsänderungen) der CdSe-QDs ohne PDI, mit 0,8 PDI sowie der Proben mit
3,6 und 5,2 PDI pro QD dargestellt. Eine detailliertere Darstellung bieten die Spektren
bei festen Verzögerungszeiten, welche im Anhang A.2 in Abbildung A.17 gezeigt sind. Bei
allen Proben ist bei sehr kurzen Verzögerungszeiten (0,1 ps) ein Bleichen der exzitonischen
Übergänge der QDs bei etwa 530 nm und eine induzierte Absorption bei 575 nm bis 600
147
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie
Abbildung 5.10.: 2D-Plots der Proben nach Anregung mit 388 nm. Positive Absorptionsän-
derungen sind in rot dargestellt, negative in blau. Die Abbildungen wurden
von Dr. Lars Dworak zur Verfügung gestellt.
nm vorhanden. Bei späteren Verzögerungszeiten (ab etwa 10 ps) treten bei den Proben
mit PDI negative Absorptionsänderungen bei 550 nm bis 650 nm auf, welche bei den
reinen QDs nicht vorhanden sind. Die Amplituden und die zeitliche Entwicklung dieser
negativen Absorptionsänderungen hängen von der PDI-Konzentration ab.
In Abbildung 5.11a sind die Spektren bei festen Verzögerungszeiten der Probe mit
dem höchsten PDI-QD-Verhältnis von 5,2:1 gezeigt. Auällig ist, dass die spektralen
Charakteristika des PDIs (negative Absorptionsänderungen zwischen 550 nm und 650 nm)
bei dieser Probe schon auf der sub-Pikosekundenskala vorhanden sind (siehe Abbildung
5.11a). Diese können aber nicht ausschlieÿlich von einer direkten Photoanregung des
PDIs stammen, da zum einen bei der gewählten Anregungswellenlänge von 388 nm PDI
kaum absorbiert. Zum anderen fehlen die charakteristischen PDI-Signale im Spektrum bei
einer festen Verzögerungszeit von 0,1 ps, also unmittelbar nach Photoanregung. (Es ist
naheliegend, dass ein sehr schneller Energietransfer von den QDs auf das PDI ursächlich
für die dem angeregten PDI zuzuordnenden Signale ist). Auÿerdem treten bei langen
Verzögerungszeiten und groÿen Wellenlängen (ab 600 nm) Zerfallskinetiken auf, welche
bei niedrigeren PDI-Gehalten nicht vorhanden sind (vgl. Abbildungen A.17b und c). Die
genaue Diskussion des hierfür zu Grunde liegenden Mechanismus erfolgt in Abschnitt 5.4.2
bei der Diskussion der Ergebnisse nach direkter Anregung des PDIs.
Die in Tabelle 5.4 zusammengefassten Energietransferzeiten wurden durch Anpassen
von exponentiellen Zerfallsfunktionen an die Einzeltransienten bei einer Abtastwellenlänge
von 585 nm nach Subtraktion des QD-Beitrages ermittelt (Abbildung 5.11b). Die Proben
können in zwei Klassen eingeteilt werden: Bei niedrigen PDI-Gehalten von 0,1 bis 0,8
PDI pro CdSe-QD bleicht das Signal langsam und kann mit einer Exponentialfunktion
148
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.11.: a) Spektren der Probe 5,2 PDI pro CdSe bei fester Verzögerungszeit. b)
Einzeltransienten bei einer Abtastwellenlänge von 585 nm nach Subtraktion
des QD-Beitrags (kurzlebige positive Absorptionsänderung siehe Abbildung
5.10) angepasst. Die erhaltenen Energietransferzeiten sind zusammen mit
den jeweiligen Amplituden in Tabelle 5.4 zusammengefasst. Anregungs-
wellenlänge: 390 nm. Die Abbildungen wurden von Dr. Lars Dworak zur
Verfügung gestellt.
zufriedenstellend angepasst werden. Die Einzeltransienten der Proben mit höheren PDI-
Konzentrationen müssen mit biexponentiellen Zerfallsfunktionen angepasst werden. Die
langsamen Komponenten beschleunigen sich mit steigender Akzeptorkonzentration, und
zwar von 0,5 ns für die Probe mit 0,1 PDI auf 27,0 ps für die Probe mit 5,2 PDI pro QD.
Die Proben mit den beiden höchsten PDI-Gehalten zeigen innerhalb der ersten Pikose-
kunde nach Anregung einen sehr schnellen Zerfall des negativen Signals, dessen Amplitude
von 21% für die Probe mit 1,6 PDI pro QD auf 47% für die Probe mit 5,2 PDI pro QD an-
steigt. Die Zeitkonstante verkürzt sich von 0,33 ps (1,6:1 und 3,6:1) auf 0,30 ps (5,2:1),
und liegt im Bereich der Zeitauösung des Experiments (0,25 ps). Die schnelle Energie-
transferzeit liegt im Bereich der ermittelten Intrabandrelaxationszeit der CdSe-QDs von
0,30 ps5. Intrabandrelaxation und Energietransfer aus dem P-Zustand der QDs laufen
also auf ähnlich Zeitskalen ab und stehen in Konkurrenz zueinander. Demnach läuft der
Energietransfer unter Beteiligung von heiÿen Exzitonen der QDs ab. Bislang gibt es keine
Publikation, welche über einen heiÿe Exzitonen involvierenden Energietransfer berichtet.
Typische ultraschnelle Energietransferprozesse wurden in Lichtsammelkomplexen gefun-
den [236], in nanostrukturierten künstlichen Systemen wurde über einen ultraschnellen
Energietransfer von CdSe-Nanoschichten auf Platinnanopartikel berichtet [237].
In einer früheren Untersuchung von QD-PDI-Komplexen mit QDs bestehend aus ei-
nem CdSe-Kern, einer ML CdS und drei ML ZnS (KS-QDs), wurden ebenfalls zwei
Energietransferzeiten ermittelt [141]. Die Energietransferzeiten der Proben mit ähnlichen
5Die Intrabandrelaxationszeit wurde aus der kurzlebigen positiven Absorptionsänderung bei einer Wellen-
länge von 585 nm ermittelt und liegt im Bereich von Literaturwerten [159, 235].
149
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie
Tabelle 5.4.: Zeitkonstanten  und Zerfallsamplituden a, welche aus der Fitanalyse der Ein-
zeltransienten aus Abbildung 5.11b erhalten wurden
PDI:QD EET ,schnel l /ps aschnel l / % EET ,langsam /ps alangsam / %
0,1:1   500,0 100
0,4:1   290,0 100
0,8:1   180,0 100
1,6:1 0,33 21 120,0 79
3,6:1 0,33 30 63,0 70
5,2:1 0,30 47 27,0 53
Tabelle 5.5.: Parameter zur Abschätzung der Plausibiliät der Beschleunigung der Energie-
transferzeiten von CdSe-QDs und CdSe/1 ML CdS/3ML ZnS-QDs (KS-QDs)
im Rahmen des Förster-Modells
CdSe-QDs KS-QDs
(diese Arbeit)
IB 300 fs 350 fsa
 bF l 2,5 ns 2,6 nsc
QYF l 5% 36%c
d 2,8 nm 5,0 nmc
s 2,4 nm 3,5 nmc
J / 1015 nm4M=1 cm=1 2,3 2,5c
 dEET ,schnel l 0,33 ps 3,7 ps
 dEET ,langsam 120 ps 162 ps
abestimmt aus den in [141] erhobenen Datensätzen
bCdSe-QDs aus Abschnitt 5.2
cQD1 aus Tabelle 6.4 in [63]
daus [141]
150
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
PDI-QD-Verhältnissen (1,6:1 für CdSe und 1,7:1 für KS-QDs) sind bei den KS-QD-PDI-
Komplexen mit 3,7 ps und 162 ps deutlich langsamer als bei den Komplexen mit CdSe-QDs
(0,33 ps und 120 ps für die Probe mit 1,6 PDI pro QD).
Für den langsamen Energietransfer kann im Rahmen des Förster-Modells abgeschätzt
werden, inwiefern die Beschleunigung im Einklang mit den unterschiedlichen Donor-Akzeptor-
Abständen beider Systeme ist. Die Energietr(ansferrate kE)(r) ist nach Förster [139]:
QY 2D 9000ln(10)
kE(r) = J. (5.1)
Ds6 1285Nn4
Dabei ist  der Orientierungsfaktor, welcher die relative Orientierung der Übergangs-
dipole von Donor und Akzeptor im Raum angibt. NA ist die Avogadro-Konstante, n der
Brechungsindex des Lösungmittels, J das Überlappintegral nach Förster und s der Donor-
Akzeptor-Abstand. QYD ist die Quantenausbeute des Donors in Abwesenheit des Akzep-
tors und D die Lebensdauer des Donors in Abwesenheit des Akzeptors. In Tabelle 5.5
sind die für Gleichung 5.1 benötigten Werte zusammengefasst. Dabei wurden für die Kern-
Schale-Partikel die Transferzeiten aus [141] entnommen. Alle anderen Werte der KS-QDs
stammen aus der Dissertation von Ting Ren von QDs mit der gleichen Zusammensetzung
[63].
Die langsame Energietransferzeit beschleunigt sich im Fall der CdSe-QDs gegenüber
den KS-QDs um einen Faktor von
kE,CdSe 1=120 ps
= = 1, 4.
kE,KS 1=162 ps
Mit den Werten für QYF l , F l , J und s aus Tabelle 5.5 ergibt sich:
( )6
QYF l ,CdSe F l ,KS JCdSe sKS
  
QYF l ,KS F l ,CdSe JKS sCdSe ( )
0, 05 2,6 ns 2,3  1015 nm4M 1 cm 1 3,5 nm 6
=   
0, 36 2,5 ns 2,5  1015 nm4M 1 cm 1 2,4 nm
= 1, 3.
Die Förster-Theorie sagt also eine Beschleunigung des Energietransfers um einen Faktor
von 1,3 voraus, gemessen wurde eine Beschleunigung von 1.4. Demnach ist die gefun-
dene Beschleunigung des Energietransfers im Rahmen der Förster-Theorie plausibel und
kann auf den kürzeren Donor-Akzeptor-Abstand der CdSe-PDI-Komplexe zurückgeführt
werden. Des weiteren deuten die Ergebnisse darauf hin, dass auch der Energietransfer von
KS-QDs auf PDI wie in [141] unter Beteiligung heiÿer Exzitonen stattndet, was bisher
nicht in Betracht gezogen wurde.
151
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie
Abbildung 5.12.: Transiente Absorptionsspektren nach Anregung der Proben mit 590 nm
a) reines PDI b) CdSe-PDI-Komplexe mit 0,8 PDI pro CdSe c) CdSe-
PDI-Komplexe mit 5,2 PDI pro CdSe. d) Vergröÿerter Ausschnitt der
Spektren nach 1,8 ns zusammen mit dem Absorptionsspektrum des PDI-
Radikalanions (PDI , aus [171]). Die Abbildungen wurden von Dr. Lars
Dworak zur Verfügung gestellt.
5.4.2. Anregung des Perylendiimids in den Komplexen
Zur Untersuchung der beobachteten reduzierten Fluoreszenzintensitäten des PDIs bei ho-
hen PDI-QD-Verhältnissen wurden transiente Absorptionsspektren nach selektiver Anre-
gung des PDIs (Anregungswellenlänge 590 nm) aufgenommen. Für die Proben bis zu ei-
nem PDI-Gehalt von 0,8 pro CdSe-QD konnten auf Grund der geringen
PDI-Konzentrationen keine verlässlich auswertbaren transienten Absorptionsspektren ge-
messen werden. Die transienten Spektren bei festen Verzögerungszeiten für reines PDI
sowie die Proben mit einem PDI-QD-Verhältnis von 0,8:1 und 5,2:1 sind in den Abbil-
dungen 5.12a bis c dargestellt. Die negativen Absorptionsänderungen des PDIs resultieren
aus dem Grundzustandsbleichen und der stimulierten Emission. Der positive Beitrag bei
Wellenlängen über 675 nm wird durch Absorption aus dem angeregten Zustand hervorge-
152
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
rufen. Deutlich sind die Unterschiede des Zerfalls des PDI-Signals zwischen der Messung
an reinem PDI und dem PDI auf CdSe-QDs zu erkennen. Die negativen Absorptionsän-
derungen bilden sich für PDI-CdSe deutlich schneller zurück als bei reinem PDI. Bei der
Probe mit 5,2 PDI ist bei der langen Verzögerungszeit von 1,8 ns fast keine stimulierte
Emission bei 575 nm bis 675 nm mehr vorhanden, das Signal des Grundzustandsbleichens
bei kürzeren Wellenlängen ist aber präsent. Die stimulierte Emission zerfällt also, ohne
dass sich der Grundzustand des PDIs mit der gleichen Zeitkonstante zurückbildet. Die-
ses Verhalten ist typisch für Elektronentransferreaktionen [238, 239]. In der Tat ist im
vergröÿerten Ausschnitt in Abbildung 5.12d zu erkennen, dass bei der Probe 5,2:1 bei
langen Verzögerungszeiten ein positives Absorptionssignal zwischen 635 nm und 675 nm
vorhanden ist, welches für reines PDI und die Probe mit 0,8 PDI nicht detektiert wurde.
Da das Signal der stimulierten Emission bei dieser Verzögerungszeit bereits abgeklungen
ist, ist nicht davon auszugehen, dass es sich bei diesem positiven Beitrag um eine Ab-
sorption des angeregten Zustands des PDIs handelt. Der Beitrag stimmt gut mit dem
Absorptionsspektrum des PDI-Radikalanions überein, wie in Abbildung 5.12d zu sehen ist.
Zur weiteren Untersuchung der PDI-Abklingdynamik wurde eine globale Fitanalyse der
transienten Daten durchgeführt6. Die zerfallsassoziierten Spektren sind in Abbildung 5.13
gezeigt. Für das reine PDI (Abbildung 5.13a) werden zur Beschreibung der Daten drei
Zeitkonstanten benötigt, für die beiden gezeigten Komplexe vier. Die für die Betrachtung
des Einusses der QDs auf das Abklingverhalten des PDIs relevanten Komponenten sind
die mit einer Zeitkonstante von 10 ns (maximale Verzögerungszeit, Vierecke) und die für
die Komplexe gefundene zusätzliche Zerfallskomponente (Kreise). Die Komponente mit
einer Zeitkonstante von 10 ns trägt im Fall des reinen PDIs zum Zerfall aller transienten
Absorptionssignale bei und beschreibt die Relaxation in den Grundzustand. Die für die
PDI-CdSe-Komplexe gefundene zusätzliche Zerfallskomponente beschleunigt sich von 1
ns bei der Probe mit 0,8 PDI pro CdSe (Abbildung 5.13b) auf 0,26 ns bei der Probe
mit 5,2 PDI pro CdSe (Abbildung 5.13c). Die maximalen negativen Amplituden dieser
zerfallsassoziierten Spektren stimmen für beide Proben spektral gut mit dem Fluoreszenz-
maximum des PDIs überein (blau gestrichelte Linie sind in Abbildung 5.13c und d zur
Verdeutlichung eingezeichnet). Die Komponente trägt also zum Zerfall der stimulierten
Emission des PDIs bei, und der Zerfall der stimulierten Emission beschleunigt sich mit
steigendem PDI-Gehalt.
Im Gegensatz dazu enthält die Komponente bei maximaler Verzögerungszeit (10 ns) bei
beiden CdSe-PDI-Proben kaum Beiträge an der spektralen Position der PDI-Fluoreszenz
und stimmt spektral stark mit der Grundzustandsabsorption des PDIs überein (schwarze
gestrichelte Linie). Zusätzlich treten für diese Komponente (10 ns) bei der Probe mit 5,2
PDI pro CdSe-QD bei Wellenlängen gröÿer als 650 nm zusätzliche positive Amplituden
auf (siehe vergröÿerter Ausschnitt in Abbildung 5.13e). Diese können spektral dem PDI-
6Für generelle Informationen zu zerfallsassoziierten Spektren siehe Anhang A.2.2. Genauere Erläuterun-
gen zur Vorgehensweise nden sich in [240].
153
5.4. Transiente Absorptionsspektroskopie
Abbildung 5.13.: Zerfallsassoziierte Spektren des a) PDIs, der Probe mit b) 0,8 PDI und der
Probe mit c) 5,2 PDI. d) Absorptionsspektrum (schwarz) und Fluoreszenz-
spektrum (blau) des PDIs und Absorptionsspektrum des PDI-Radikalanions
(braun). e) Vergröÿerter Ausschnitt der 10 ns-Komponenten der Proben
mit 0,8 und 5,2 PDI. Die Abbildungen wurden von Dr. Lars Dworak zur
Verfügung gestellt.
154
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Radikalanion zugeordnet werden, welches oenbar das Resultat eines Elektronentransfers
von den CdSe-QDs auf das angeregte PDI ist.
Dieser Ladungstransfer ist abhängig von der Konzentration des PDIs auf den CdSe-
QDs (Beschleunigung des Zerfalls der stimulierten Emission und Nachweis des PDI-
Radikalanions erst für das hohe PDI-QD-Verhältnis). Die Anregungspulsenergien wurden
so gering gewählt, dass die Anregung mehrerer PDIs pro QD ausgeschlossen werden kann.
Daher ist die Anzahl der für einen Elektronentransfer zur Verfügung stehenden angereg-
ten PDIs unabhängig von der PDI-Konzentration, und es sollte keine Konzentrationsab-
hängigkeit des Ladungstransfers vorhanden sein. Die zu beobachtende Konzentrations-
abhängigkeit kann aber auf Grund der in Abschnitt 5.2 diskutierten fehlenden spektralen
Hinweise auf eine Aggregierung auch nicht auf eine Beeinussung der PDIs untereinander
zurückzuführen sein. Eine Möglichkeit der Erklärung wäre die zunehmende Besetzung von
elektronenreichen Kristallfacetten der CdSe-QDs bei steigenden PDI-QD-Verhältnissen,
sodass der Elektronentransfer begünstigt wird.
Analoge Messungen wurden auch an den CdSe-5ZnS-PDI-Komplexen aus Abbildung
5.6 durchgeführt. Hier wurde aber bei steigendem PDI-Gehalt nur eine Zunahme der
Zerfallsamplituden des PDIs im gesamten Spektralbereich und nicht nur im Bereich der
stimulierten Emission gefunden. Der Zerfall der stimulierten Emission beschleunigte sich
nicht in Abhängigkeit von der PDI-Konzentration. Über den gesamten untersuchten Zeit-
bereich dominierte das Signal des photoangeregten PDIs, und es wurde kein Photoprodukt
beobachtet [241].
5.5. Zusammenfassung und Fazit
Es wurden QD-PDI-Komplexe nach [63] dargestellt und mit Hilfe von statischer und
zeitaufgelöster Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektroskpie untersucht. Dabei wur-
den reine CdSe-QDs und mit zwei und fünf Monolagen ZnS passivierte QDs eingesetzt.
Im Fokus der Untersuchungen der elektronischen Wechselwirkungen standen dabei die
Komplexe mit unpassivierten CdSe-Kernen.
Für alle drei QD-Varianten konnte an Hand der statischen Fluoreszenzemissionsspektren
nach Photoanregung der QDs in den Komplexen ein Energietransfer von den QDs auf das
an deren Oberäche gebundene PDI nachgewiesen werden. Die Analyse der transienten
Absorptionsspektren von CdSe-PDI-QDs zeigte, dass bei hohen PDI-Gehalten in den Kom-
plexen zwei Energietransferwege vorhanden sind. Die Energietransferzeiten beschleunigen
sich mit steigendem PDI-Gehalt. Neben der langsamen Energietransferzeit wurde eine zu-
sätzliche ultraschnelle Energietransferkomponente gefunden, welche mit etwa 300 fs im
Bereich der zeitlichen Auösung des Versuchsaufbau war und im Bereich der Intraban-
drelaxationszeit vom 1P(e)- in den 1S(e)-Zustand liegt. Daraus ist zu schlieÿen, dass die
schnelle Energietransferkomponente einem heiÿe Exzitonen involvierenden Energietransfer
aus dem 1P(e)-Zustand der CdSe-QDs zuzuordnen ist. Der Anteil der schnellen Energie-
155
5.5. Zusammenfassung und Fazit
transferkomponente steigt mit zunehmender PDI-Belegungsdichte, der Prozess weist eine
Ezienz von bis zu 47% auf. Auch in Komplexen mit ZnS-passivierten CdSe-QDs wur-
den zwei Energietransferzeiten gefunden [141], welche aber deutlich länger sind, als die in
den Komplexen mit CdSe ermittelten Werte. Es konnte gezeigt werden, dass die deutlich
schnellere Energietransferzeit für CdSe-QDs im Vergleich zu den ZnS-passivierten QDs im
Rahmen der Förster-Theorie plausibel für die unterschiedlichen Donor-Akzeptorabstände
in beiden Systemen ist. Die in [141] ermittelte kürzere Energietransferkomponente von
Komplexen mit passivierten CdSe-QDs könnte demnach ebenfalls einem Energietransfer
aus einem höher angeregten Zustand der QDs zuzuordnen sein.
Die Analyse der Fluoreszenzemissionspektren oenbarte neben dem Energietransfer
auch eine reduzierte Fluoresenzemissionsintensität des an QDs gebundenen PDIs. Da-
mit einhergehend verkürzte sich dessen Fluoreszenzlebensdauer und es wurde eine zu-
sätzliche Fluorezszenzzerfallskomponente gefunden. Die Löschung der PDI-Fluoreszenz,
die Verkürzung der Fluoreszenzlebensdauer und das Auftreten einer zusätzlichen Zerfalls-
komponente waren abhängig von der Art der QDs und der Anzahl an PDI-Molekülen auf
der QD-Oberäche. Da die Eekte bei selektiver Anregung des PDIs auftraten, ist davon
auszugehen, dass der Prozess zur Reduzierung der PDI-Fluoreszenz die QDs im Grund-
zustand impliziert. Eine eventuelle Aggregation des PDIs auf den QD-Oberächen als
Erklärung für die allgemeine Reduzierung der Fluoreszenzintensitäten und -lebensdauern
wurde an Hand der statischen Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren diskutiert
und erscheint unwahrscheinlich.
Die Untersuchung von CdSe-PDI-Komplexen mit Hilfe transienter Absorptionsspektros-
kopie nach Anregung des PDIs oenbarte einen Zerfall der stimulierten Emission des PDIs,
ohne dass sich dessen Grundzustandsabsorption mit der gleichen zeitlichen Komponente
aufbaute. Es muss also ein weiterer Relaxationspfad des angeregten Zustandes vorgelegen
haben. Die zusätzliche positive Absorptionsänderung im Bereich von 650 nm bis 675 nm
passt spektral zur Absorption des PDI-Radikalanions. Daraus lässt sich schlieÿen, dass ein
Elektronentransfer von den QDs aus dem Grundzustand auf das angeregte PDI stattfand.
Zusammenfassend lässt sich das in Abbildung 5.14 gezeigte Schema für die elektro-
nischen Wechselwirkungen zwischen CdSe-QDs und dem Farbsto PDI erstellen. Die
Valenzband- und die Leitungsbandkantenenergien der CdSe-QDs (entnommen aus [242])
sowie die HOMO- und LUMO-Energien des PDI-Derivats (aus [243]7) sind angegeben.
Die Prozesse nach selektiver Anregung der CdSe-QDs sind mit hell- und dunkelblauen
Pfeilen und die Prozesse nach selektiver Anregung des PDIs mit schwarzen Pfeilen ge-
kennzeichnet. PDI wäre auf Grund seiner HOMO/LUMO-Energien ein Elektronenakzeptor
sowohl für einen Elektronentransfer der CdSe-QDs im angeregten Zustand auf das LUMO
des PDIs, als auch für einen Elektronentransfer aus dem Grundzustand der CdSe-QDs auf
das HOMO des angeregten PDIs. Da das PDI-Radikalanion erst nach dem Zerfall der
7Berechnet aus dem Reduktionspotential ERed =  1, 10eV für die mit 3e bezeichnete Verbindung mit
ELUMO =  4, 80eV   Ered1 und EHOMO = ELUMO   EGap [244].
156
5. Elektronische Kopplung von Halbleiternanokristallen und Perylendiimid
Abbildung 5.14.: Energieniveauschema des untersuchten PDI-CdSe-Systems. Die Prozes-
se nach Anregung der QDs sind mit blauen Pfeilen, die nach Anregung
des PDIs mit schwarzen Pfeilen gekennzeichnet. Nach Anregung der QDs
transferieren diese ihre Energie aus einem höherenergetischen Leitungs-
bandniveau mit einer sehr schnellen Energietransferzeit (dunkelblaue Pfei-
le), oder durchlaufen eine Intrabandrelaxation mit anschlieÿendem Ener-
gietransfer mit langsamerer Transferzeit (hellblaue Pfeile). Das entweder
durch den Energietransfer vom QD oder durch die direkte Anregung im
elektronisch angeregten Zustand bendliche PDI kann als Elektronenak-
zeptor für die im Grundzustand vorliegenden CdSe-QDs fungieren.
157
5.5. Zusammenfassung und Fazit
stimulierten Emission des PDIs detektiert wurde und die Löschung des PDIs auch nach
selektiver Anregungs des PDIs beobachtet wurde, muss der Elektronentransfer zur Bil-
dung des PDI-Radikalanions aus dem Grundzustand der CdSe-QDs erfolgt sein. Folgende
Prozesse können zum Elektronentransfer führen: Nach Anregung der QDs transferieren
diese ihre Energie mit einer sehr schnellen Komponente aus dem P-Zustand (dunkelblaue
Pfeile) und einer langsamen Energietransferkomponente nach Intrabandrelaxation (hell-
blaue Pfeile) auf das PDI. Die QDs relaxieren in den Grundzustand, das PDI bendet sich
nun im angeregten Zustand, welcher natürlich auch durch die selektive Anregung des PDI
erreicht werden kann. Auf Grund der energetisch günstigen Lage des HOMOs des PDIs
ndet ein Elektronentransfer von den CdSe-QDs auf das angeregte PDI statt, wodurch
sich das beobachtete Radikalanion bildet.
Die gefundene PDI-Konzentrationsabhängigkeit des Ladungstransferprozesses könnte
auf die PDI-Belegung Se-reicher Kristallfacetten der CdSe-QDs zurückzuführen sein. Zur
Überprüfung dieser Vermutung wären Untersuchungen an PDI-CdSe-Komplexen mit Se-
reichen QDs [245] denkbar.
Das gewählte System aus einem Carboxylat-funktionalisiertem PDI und CdSe-basierten
QDs ermöglicht somit zahlreiche Untersuchungen verschiedener elektronischer Wechsel-
wirkungen mit sehr einfach einzustellenden Parametern: Durch die Steuerung der spektra-
len Lage der QDs können die Überlappintegrale und damit die Energietransferezienzen
variiert werden. Über die Dicke der ZnS-Passivierungsschicht auf CdSe-QDs können unter
Beibehaltung der Überlappintegrale die Donor-Akzeptorabstände und damit der Energie-
transfer abstandsabhängig untersucht werden [63]. Die Abhängigkeit der Energietransfer-
rate von der Akzeptorkonzentration kann genutzt werden, um die tatsächlichen Donor-
Akzeptor-Verhältnisse zu bestimmen und erlaubt so die Konzentrationsbestimmung von
QDs [141]. Ultraschnelle Energietransferprozesse und Ladungstransferprozesse können mit
dem Einsatz unpassivierter CdSe-QDs untersucht werden. Dabei kann die Akzeptorkon-
zentrationsabhängigkeit analog zu den Experimenten mit passivierten CdSe-QDs ermittelt
werden. Mit der Einführung von ZnS-Passivierungsschichten auf den CdSe-QDs könnte
auch die Abhängigkeit beider Prozesse von der ZnS-Schichtdicke studiert werden.
158
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-
Schale-Nanokristallen
In diesem Abschnitt wird die Synthese von sphärischen QDs bestehend aus einem CdTe-
Kern, CdSe-Monolagen und abschlieÿenden ZnS-Monolagen vorgestellt. Die innere CdTe/
CdSe-Struktur zeichnet sich durch eine räumliche Trennung der Ladungsträger aus (Typ
II-QDs, siehe Abschnitt 2.2.4). Dabei sind die Löcher im CdTe-Kern und die Elektro-
nen in der CdSe-Schale lokalisiert. Die zusätzliche ZnS-Schicht passiviert, analog zu den
CdSe-basierten TypI-QDs, die innere CdTe/CdSe-Struktur. Die QDs sollen in Komple-
xen mit dem Lichtsammelkomplex II (LHCII) eingesetzt werden, um die elektronischen
Wechselwirkungen zwischen LHCII und QDs über den bereits analysierten Energietransfer
vom LHCII auf die QDs hinaus [64] in weiteren Experimenten zu untersuchen. Hierfür
werden die QDs mit Hilfe eines Ligandenaustauschs mit dem bidentaten Liganden Dihy-
droliponsäure (DHLA) in die wässrige Phase überführt. Ferner soll überprüft werden, ob
die gleichen TypII-QDs auch mit dem Farbsto Terrylendiimid (TDI) als Energieakzeptor
agieren können. Die QDs sollten sowohl für die Experimente mit dem LHCII als auch für
die Tests mit TDI eine Fluoreszenzemissionswellenlänge von ungefähr 750 nm aufweisen.
Die Synthese der CdTe/CdSe/ZnS-QDs erfolgte unter Verwendung der SILAR-Methode
[132]. Im Rahmen der durchgeführten Syntheseversuche wurde ein, teilweise vollständiges,
Auösen der CdTe-Kerne während der Erwärmung für die Beschichtung mit der ersten
Monolage CdSe beobachtet. Die Kombination dieses Prozesses mit langen Reaktionszei-
ten von mehreren Stunden für das Aufwachsen der CdSe-Schichten macht die Synthese
von denierten CdTe/CdSe-Strukturen synthetisch anspruchsvoller als die der in Abschnitt
5 vorgestellten CdSe/CdS-Strukturen. Basierend auf den Untersuchungen von Zhang et
al. [134] wird im Folgenden eine zweistuge Synthese mit sich bei niedrigen Temperaturen
zersetzenden Vorstufen vorgestellt. Auÿerdem wird eine Eintopf-Synthese ohne Aufreini-
gen der CdTe-Kerne vor der Beschichtung präsentiert, wodurch die Ligandendichte auf
der CdTe-Kernoberäche maximal erhalten bleibt. Beides, niedrige Reaktionstemperaturen
und hohe Ligandendichte, dient der Reduzierung des Auösungsprozesses der CdTe-Kerne.
159
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Die Synthese der CdTe/CdSe-QDs mit Aufarbeitung der CdTe-Kerne1 vor der Beschich-
tung wurde nach einer abgewandelten Vorschrift aus [134] durchgeführt. Dazu wurden im
ersten Schritt die CdTe-Kerne synthetisiert, wobei reproduzierbar sphärische Kristalle mit
homogener Gröÿenverteilung erhalten wurden. Die Ergebnisse der Kernsynthese werden
daher nicht gesondert diskutiert. TEM-Aufnahmen und Absorptions- und Fluoreszenz-
emissionsspektren von CdTe-Kernen aus mehreren Versuchen sind im Anhang in Abbildung
A.18 dargestellt. Da die CdTe-Kerne nach der Aufreinigung trotz Lagerung im Dunklen
bei 6 °C bereits innerhalb eines Tages aggregierten, erfolgte die Beschichtung unmittelbar
nach der Kernsynthese.
Für die Beschichtung der CdTe-Kerne wurden die Vorstufen Cadmiumacetat (Cd(OAc)2),
gelöst in einer Mischung aus Trioctylphosphin und Octadecen, und Selen gelöst in Trioc-
tylphosphin (Se-TOP) eingesetzt, welche sich bereits bei niedrigen Temperaturen zer-
setzen [134]. Der stark koordinierende Ligand Tetradecylphosphonsäure (TDPA) wurde
zur Unterdrückung der Aggregation der CdTe-Kerne verwendet [124, 134]. Das zusätz-
lich eingesetzte Thermische Zyklieren  wurde von Blackman et al. für die Synthese von
CdSe-Kern/CdTe-Schale-QDs eingeführt [246]. Dabei werden die Vorstufen bei deut-
lich niedrigerer Temperatur als der eigentlichen Wachstumstemperatur zugegeben. Dieses
Vorgehen soll die Monomerkonzentration in der Reaktionslösung gering halten und so ein
ungleichmäÿiges Kristallwachstum auf den Kernen unterdrücken. Die Monomere haben bei
den geringen Temperaturen ausreichend Zeit, gleichmäÿig auf der Oberäche des Kern-
kristalls zu adsorbieren, bevor bei der höheren Temperatur das eigentliche Aufwachsen des
Schalenmaterials stattndet. Da mit dieser Methode erfolgreich sphärische CdTe/CdSe-
QDs in einer Eintopf-Reaktion synthetisiert werden konnten [64], wurde diese Strategie
auf die hier vorgestellte Synthese mit Aufarbeitung der CdTe-Kerne übertragen.
Das Beschichtungsverfahren ist in Abbildung 6.1 schematisch dargestellt: Die CdTe-
Kerne werden zusammen mit den Liganden (TDPA und TOP) im nicht koordinieren-
den Lösungsmittel Oktadecen vorgelegt, evakuiert und auf 100 °C erhitzt. Im Argonge-
genstrom wird bei 100 °C die Cd-Vorstufenlösung zugegeben und die Reaktionslösung
wird auf die Wachstumstemperatur (150 °C) erwärmt. Nach 30 Minuten wird die Se-
Vorstufenlösung zugegeben und die Mischung bei 150 °C gerührt, bis sich Absorptions-
und Fluoreszenzspektren der QD-Lösung nicht mehr ändern (Verschiebung des Fluores-
zenzemissionsmaximums über einen Zeitraum von 30 Minuten kleiner als 10 nm). Die
Lösung wird, im Gegensatz zur Vorschrift aus [134], zur Beschichtung mit der nächsten
Monolage auf 100 °C abgekühlt (Thermisches Zyklieren, s.o.), die Cd-Vorstufenlösung
zugegeben und wieder auf die Wachstumstemperatur erhitzt. Nach 30 Minuten wird er-
neut die Se-Vorstufenlösung zugegeben und wie bei der vorherigen Schicht weiterverfah-
1Ausfällen der CdTe-Kerne aus der Reaktionslösung mit Ethanol und Suspendieren des Niederschlags in
Toluol
160
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.1.: Schema zu Illustration des Synthesewegs der CdTe/CdSe QDs.
ren. Die Prozedur wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl CdSe-Monolagen
aufgewachsen sind.
Die Ergebnisse einer so durchgeführten Synthese sind in Abbildung 6.2 zusammenge-
fasst. Die Absorptionsspektren sind in Abbildung 6.2a, die Fluoreszenzemissionsspektren in
Abbildung 6.2b gezeigt. Die Spektren der QDs mit einer ML CdSe sind um 5 nm (F l von
593 nm auf 588 nm, Abs von 581 nm auf 576 nm) zu kürzeren Wellenlängen gegenüber
denen der CdTe-Kerne verschoben. Dies deutet auf eine Verkleinerung des Durchmessers
der CdTe-Kerne während der Beschichtung mit der ersten ML CdSe hin. Die Spektren der
QDs nach einer weiteren Injektion der Vorstufenlösung sind um 38ñm (F l) bzw. 33 nm
(Abs) zu gröÿeren Wellenlängen verschoben. Die starke Verschiebung der Spektren zu
niedrigeren Energien weist auf eine erfolgreiche Beschichtung der CdTe-Kerne mit CdSe
hin, da die Übergangsenergie des Elektrons in das Schalenmaterial geringer ist, als die
Übergangsenergie in das 1 S(e)-Niveau des CdTe-Kerns. Zwar werden von Zhang et al.
für die ersten beiden Monolagen deutlich stärkere Verschiebungen gefunden, allerdings
werden dort keine Angaben über die genauen Mengen der zugegebenen Vorstufen und Re-
aktionszeiten gemacht, sodass ein Vergleich schwierig ist. Eine kurze Diskussion bezüglich
des Einusses der Vorstufenmengen pro Injizierung ndet sich im weiteren Verlauf dieses
Abschnitts. Das Zugeben weiterer Vorstufenlösung führt zu QD-Spektren mit noch stär-
kerer Verschiebung der Absorptions- und Fluoreszenzmaxima auf 745 nm bzw. 776 nm.
Ursache für die mit über 130 nm starke Verschiebung der Absorptions- und Emissionsma-
xima nach Zugabe der Vorstufen für die dritte Monolage ist vermutlich die Umsetzung
zuvor nicht abreagierter Vorstufen während des langen Reaktionszeitraumes von 12 h. Die
lange Reaktionsdauer lieÿ sich nicht vermeiden, da die sehr niedrigen Reaktionsgeschwin-
digkeiten das Aufwachsen der dritten ML über Nacht erzwangen.
161
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Abbildung 6.2.: a) Absorptions- und b) Fluoreszenzemissionsspektren von CdTe-QDs und
der mit einer, zwei und drei ML CdSe beschichteten QDs. c) TEM-
Aufnahmen mit Histogrammen der Gröÿenverteilung der CdTe Kerne (d =
(4,0  0,4) nm), der QDs mit zwei Monolagen CdSe (d = (4,3  0,4) nm)
und der QDs mit 3 ML CdSe (d = (5,5  0,5) nm). Der Maÿstabsbalken
beträgt in allen Aufnahmen 20 nm.
162
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Tabelle 6.1.: Vergleich der QYF l ,  und 1=e der synthetisierten QDs aus Abbildung 6.2 mit
den Werten aus [134].
Probe QYF l / % 1=e / ns  / ns
diese Arbeit [134] diese Arbeit [134] diese Arbeit
CdTe-Kerne 21 24 17 15 21
CdTe/ 1 ML CdSe 10 94 - - -
CdTe/ 2 ML CdSe 35 82 19 28 22
CdTe/ 3 ML CdSe 65 70 50 - 51
CdTe / 4 ML CdSe - 46 - 45 -
TEM-Aufnahmen der CdTe-Kerne, der QDs mit zwei ML CdSe und der mit drei ML
CdSe sind in Abbildung 6.2c gezeigt. Der aus den TEM-Aufnahmen ermittelte mittlere
Durchmesser der CdTe-Kerne beträgt (4,0  0,4) nm. Nach Zugabe der Vorstufen für
zwei Monolagen CdSe steigt der Durchmesser auf (4,3  0,4) nm. Theoretisch sollte der
Durchmesser der CdTe-Kerne  unter der Annahme, dass die Dicke einer CdSe-Monolage
0,35 nm beträgt [134]  bei 5,4 nm liegen. Die Unterschreitung des theoretischen Durch-
messers bestätigt das in den Spektren zu beobachtende Auösen der CdTe-Kerne während
des ersten Beschichtungszyklus. Die weitere Zugabe der Vorstufen und die folgende lange
Reaktionszeit (12 h) führt zu QDs mit einem deutlich gröÿeren mittleren Durchmesser
von (5,5  0,5) nm. Die Erhöhung des Durchmessers um weitere 1,2 nm entspricht theo-
retisch ungefähr zwei ML CdSe. Die im Rahmen der Diskussion der Spektren getätigte
Vermutung, dass durch den langen Reaktionszeitraum in der Lösung zuvor nicht umge-
setzte Monomere abreagiert sind, kann damit bestätigt werden. Die vergröÿerte Aufnahme
dieser Probe (Abbildung 6.2c) verdeutlicht die annähernd sphärische Form und die hohe
Homogenität der erhaltenen QDs. Die Halbwertsbreiten2 der Fluoreszenzemissionsspek-
tren in Abbildung 6.2b nehmen von 22 nm der CdTe-Kerne auf 59 nm der QDs mit drei
ML CdSe zu, was mehr als einer Verdopplung der Halbwertsbreite entspricht. Der An-
stieg der Werte lässt die Vermutung zu, dass die Gröÿen- und/oder Formverteilung der
QDs bei Beschichtung mit CdSe deutlich breiter wird. Die Standardabweichungen der aus
den TEM-Aufnahmen bestimmten Durchmesser liegen aber bei allen drei untersuchten
Proben bei etwa 10% und die TEM-Aufnahmen zeigen auch für die Probe mit drei ML
CdSe eine homogene Partikelform. Die wellenlängenskalierte Auswertung der Halbwerts-
breiten erweist sich auf Grund der stark unterschiedlichen Emissionsmaxima der Proben
als irreführend. Die Spektren der CdTe-QDs und der QDs mit drei ML CdSe wurden
daher in Abbildung 6.3 zusätzlich in Abhängigkeit von der Wellenzahl aufgetragen. Die
2Die wellenlängenskalierten Halbwertsbreiten der Fluoreszenzemissionspektren werden häug zur Beur-
teilung der Homogenität von QD-Lösungen herangezogen [132, 134], da eine geringe Homogenität
von QD-Lösungen auf Grund der Gröÿenabhängigkeit der Bandlücke von Halbleiternanokristallen in
einer gröÿeren Halbwertsbreite resultiert.
163
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Abbildung 6.3.: Wellenzahlskalierte Fluoreszenzemissionsspektren der CdTe-Kerne und Cd-
Te/3 ML CdSe-QDs aus Abbildung 6.2.
gefundenen Halbwertsbreiten der Spektren liegen bei 659 cm=1 für CdTe und 983 cm=1
für CdTe/3 ML CdSe. Diese Zunahme liegt mit etwa 50% in einem plausibleren Bereich
unter Berücksichtigung der Ergebnisse der TEM-Aufnahmen.
Zur Beurteilung der Qualität der QDs wurden auch die QYF l bestimmt. Diese sind in
Tabelle 6.1 zusammengefasst. Die Quantenausbeute sinkt von 23% (CdTe-Kerne) auf
10% bei den QDs mit einer ML CdSe und steigt mit weiterer CdSe-Beschichtung auf
35% (2 ML CdSe) und 65% (3 ML CdSe). Die QYF l der CdTe/3 ML QDs liegt damit
im ähnlichen Bereich wie von Zhang et al. (70%) beschrieben [134].
TypII-QDs haben auf Grund des geringen Überlapps von Elektron- und Lochwellenfunk-
tion relativ lange Fluoreszenzlebensdauern von über 40 ns [134, 247, 248]. Zur weiteren
Überprüfung der Vorlage einer TypII-Struktur wurden deshalb auch die Fluoreszenzlebens-
dauern der CdTe-Kerne und der mit zwei und drei Monolagen CdSe beschichteten QDs
bestimmt. Die Fluoreszenzzerfallskurven der CdTe-Kerne, der QDs mit zwei ML CdSe und
der mit drei ML CdSe sind in Abbildung 6.4 gezeigt. Aus diesen Zerfallskurven wurden
durch Anpassung von exponentiellen Zerfallsfunktionen die amplitudengewichteten Fluo-
reszenzlebensdauern  bestimmt. Zusätzlich wurden für einen Vergleich mit den Werten
von Zhang et al. die Lebensdauern 1=e ermittelt
3. Die Werte sind in Tabelle 6.1 zusam-
mengefasst. Die mittleren Fluoreszenzlebensdauern der CdTe-Kerne und der QDs mit zwei
ML CdSe sind sich mit 21 ns und 22 ns sehr ähnlich. Bei weiterer Beschichtung mit CdSe
erhöht sich der Wert drastisch auf 51 ns. Ein Vergleich der hier ermittelten 1=e mit den
Literaturwerten aus [134] zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Werte von
CdTe-QDs (17 ns und 15 ns), wohingegen der Wert von CdTe/ 2 ML CdSe-QDs kürzer
ist als bei Zhang et al. (19 ns und 28 ns). Dies ist vermutlich auf die oben bereits diskutier-
3Die Anpassung der Zerfallskurve erfolgt zwischen dem Zeitpunkt 0 und dem Zeitpunkt, an dem die
Intensität auf 1=e der maximalen Intensität abgefallen ist.
164
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.4.: Fluoreszenzzerfallskurven der CdTe-Kerne, der CdTe/2 ML CdSe- und Cd-
Te/3 ML CdSe-QDs. Die Fluoreszenzlebensdauer steigt mit steigender
CdSe-Schichtdicke von 17 ns (CdTe-Kerne) auf 51 ns (CdTe/ 3ML CdSe).
Die Detektionswellenlänge der Emission wurde entsprechend der Emissions-
maxima der Proben eingestellt. Die Anregungswellenlänge lag bei 605 nm.
te nicht vollständige Umsetzung der Vorstufen während der Beschichtung mit den ersten
beiden ML CdSe zurückzuführen, sodass die QDs der vorliegenden Arbeit eine geringere
CdSe-Schichtdicke besitzen als die in [134]. Mit weiterer Beschichtung erhöht sich 1=e
auf 51 ns, und liegt im Bereich des in [134] genannten für CdTe/4 ML CdSe-QDs (45
ns)4. Insgesamt ist auf Grund der drastischen Erhöhung der der Fluoreszenzlebensdauern
davon auszugehen, dass durch das Aufwachsen der CdSe-Schichten eine TypII-Struktur
ausgebildet wurde.
6.1.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur bei höheren
Reaktionstemperaturen
Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Synthese bei einer Wachstumstemperatur von
150 °C erfordert sehr lange Reaktionszeiten: Zusammen mit der notwendigen Evakuie-
rungsdauer von 2 h vor der Beschichtung und der 30 minütigen Reaktionszeit nach Zu-
gabe der Cd-Vorstufe (vor der Zugabe der Se-TOP-Lösung) betrug diese bereits 8 h für
CdTe/2 ML CdSe-QDs, wobei die Zeiten zum Erhitzen und Abkühlen der Reaktionslö-
sung nicht berücksichtigt sind. Wegen der oben erläuterten Instabilität der CdTe-Kerne
sollten diese direkt nach ihrer Synthese beschichtet werden. Dies führt zwangsweise zu
einer Durchführung der Reaktion über Nacht, was die Reaktionskontrolle erschwert.
Bei Reaktionstemperaturen von 170 °C für die erste ML CdSe, 190 °C für die zweite und
200 °C für die dritte ML CdSe wurden die besten Ergebnisse erzielt. Die Synthesedauer
für CdTe/ 3 ML CdSe betrug so lediglich 6,5 h. Tabelle 6.2 gibt einen Überblick über die
Reaktionstemperaturen, die Reaktionszeiten und die Ergebnisse der Synthese bei höheren
4Von Zhang et al. wird kein Wert für CdTe/3 ML CdSe-QDs angegeben. Der Wert für CdTe/4 ML
CdSe-QDs (45 ns) wird daher zum Vergleich herangezogen.
165
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Tabelle 6.2.: Synthesetemperaturen T , Synthesezeiten t, Fluoreszenzemissionsmaxima F l
und Fluoreszenzquantenausbeuten QYF l der Synthese bei höheren Tempera-
turen (I) im Vergleich zu den Ergebnissen der Synthese bei 150 °C (II, grau
hinterlegt). Die Spektren und TEM-Aufnahmen der Proben von I sind in Abbil-
dung 6.5 gezeigt.
Probe T / °C t / min F l / nm QYF l / %
I II I II I II I II
CdTe-Kern - - - - 580 593 13 21
CdTe/ 1 ML CdSe 170 150 30 120 565 588 3 10
CdTe/ 2 ML CdSe 190 150 90 180 654 625 55 35
CdTe/ 3 ML CdSe 200 150 90 720 775 775 71 65
Temperaturen (I) im Vergleich zu der bei 150 °C durchgeführten Synthese (II).
Die Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren der bei höherer Temperatur synthe-
tisierten QDs sind in Abbildung 6.5a und b dargestellt, die Fluoreszenzemissionsmaxima
der Proben sind in Tabelle 6.2 aufgeführt. Wie im Experiment bei 150 °C kam es auch hier
zu einer Auösung der CdTe-Kerne während der Beschichtung mit der ersten ML CdSe,
welche in einer Verschiebung der Spektren zu kürzeren Wellenlängen resultiert. Die Spek-
tren der QDs mit zwei ML sind zu gröÿeren Wellenlängen verschoben, die Verschiebung ist
mit 89 nm wesentlich stärker ausgeprägt als im Falle der besprochenen Synthese bei 150
°C (38 nm), obwohl die Wachstumszeit statt 3 h nach Zugabe der Se-Vorstufenlösung
nur 1,5 h betrug. Dies unterstreicht den groÿen Eekt, welchen die Erhöhung der Syn-
thesetemperatur auf die Wachstumsgeschwindigkeit hat: Die Vorstufen wurden zu einem
gröÿeren Teil umgesetzt, gleichzeitig kann die Synthesedauer etwa halbiert werden. Die
Zugabe weiterer Vorstufenlösung führt zu einer weiteren Verschiebung des Fluoreszenze-
missionsmaximums auf 775 nm, welches dem der bei 150 °C erhaltenen QDs mit drei ML
CdSe entspricht.
Zur Überprüfung der Qualität der bei höherer Temperatur synthetisierten CdTe/3 ML
CdSe QDs wurden die QYF l bestimmt und TEM-Aufnahmen angefertigt. Die QYF l sind
ebenfalls in Tabelle 6.2 aufgeführt, die TEM-Aufnahmen sind in Abbildung 6.5c gezeigt.
DieQYF l steigt von 3% der QDs mit einer ML CdSe auf 55% (CdTe/2 ML CdSe) und 71%
(CdTe/3 ML CdSe). Damit ist die QYF l ähnlich der bei niedrigerer Synthesetemperatur
dargestellten QDs (65%). Die QDs mit zwei ML CdSe haben einen mittleren Durchmesser
von (4,5  0,5) nm, der Durchmesser der mit drei ML CdSe beschichteten QDs steigt
um 0,8 nm auf (5,3  0,6) nm, was innerhalb der Standardabweichung der theoretisch
zu erwartenden Zunahme von 0,7 nm liegt. Auÿerdem unterscheidet sich die nale Gröÿe
der QDs damit nur geringfügig von den bei 150 °C synthetisierten QDs ((5,5  0,5) nm).
Die Morphologie der QDs beider Experimente ist vergleichbar.
166
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.5.: a) Absorptions- und b) Fluoreszenzemissionsspektren der bei höheren Syn-
thesetemperaturen dargestellten QDs. c) Exemplarische TEM-Aufnahmen
der CdTe/2 ML CdSe und CdTe/3 ML CdSe-QDs mit den zugehörigen Hi-
stogrammen der Gröÿenverteilungen. Die Durchmesser betrugen (4,5  0,5)
nm für die CdTe/2 ML CdSe und (5,3  0,6) nm für die CdTe/3 ML CdSe.
Der Maÿstabsbalken beträgt in allen Aufnahmen 20 nm.
167
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Im Rahmen der durchgeführten Versuche mit der vorgestellten Syntheseroute konnten
erfolgreich CdTe/CdSe-QDs mit QYF l von über 90% synthetisiert werden, was den ge-
fundenen QYF l von Zhong et al. entspricht (Spektren und TEM-Aufnahme siehe Anhang
Abbildung A.19).
Die bei den erhöhten Reaktionstemperaturen erhaltenen CdTe/3 ML CdSe-QDs ha-
ben die gleiche Qualität in Bezug auf F l , QYF l und Gröÿen- und Formverteilung wie die
bei 150 °C synthetisierten. Die Durchführung der Synthese bei höheren Wachstumstemp-
eraturen vereinfacht die Synthese erheblich, da so auch mehr als drei ML CdSe unter
Kontrolle der Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektren auf die CdTe-Kerne aufge-
bracht werden können. Eine Reaktionsführung über Nacht kann vermieden werden.
6.1.2. Einuss des Ligandenanteils in der Reaktionslösung und des
Vorstufenvolumens auf die Synthese
Wie in den beiden vorangestellten Abschnitten diskutiert, ist das gröÿte Problem bei der
Beschichtung von CdTe-Kernen deren Instabilität, welche eine direkte Weiterverarbeitung
erfordert und, auf Grund der Verkleinerung der CdTe-Kernkristallgröÿe während des ers-
ten Beschichtungsschrittes, zu undenierten Kern-Schale-Strukturen führt. Dieser Auö-
sungsprozess wird durch die relativ langen Reaktionszeiten zum vollständigen Aufwachsen
der CdSe-Monolagen gefördert. Sind die Kerne mit einer ML CdSe beschichtet, wurde in
keinem Experiment eine weitere Auösung beobachtet. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird
von der Menge der zugegebenen Vorstufen beeinusst. Daher wurden Versuche mit 80%
statt 50% des theoretisch aus dem Partikelvolumen bestimmten Vorstufenmenge durch-
geführt. Darüber hinaus hat auch das Stomengenverhältnis von TDPA zu CdTe-Kernen
einen Einuss auf die Reaktionsgeschwindigkeit und die Morphologie der CdTe/CdSe-QDs.
Daher soll hier auch der Einuss der TDPA-Menge kurz diskutiert werden.
Abbildung 6.6a zeigt die Fluoreszenzemissionsspektren von CdTe-Kernen (durchgezo-
gene Linien) und den korrespondieren bei verschiedenen Synthesebedingungen erhaltenen
QDs mit einer ML CdSe (gestrichelte Linien). Alle Spektren der CdTe/CdSe-QDs wurden
nach einer Reaktionszeit von zwei Stunden bei einer Reaktionstemperatur von 150 °C
aufgenommen.
Bei Verwendung von 80% des theoretischen Volumens (Abbildung 6.6b) ist im Gegen-
satz zur Verwendung von 50% (Abbildung 6.6a) eine deutlich Verschiebung des Fluores-
zenzemissionsmaximums um 16 nm zu gröÿeren Wellenlängen zu beobachten. Die Erhö-
hung des Vorstufenvolumens führt den Erwartungen entsprechend also zu einer Erhöhung
der Wachstumsgeschwindigkeit auf den CdTe-Kernen. Zwar lässt diese Beobachtung kei-
ne denitive Aussage über eine Reduzierung der Kern-Auösung zu, da aber durch die
erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit der für die Auösung zu Verfügung stehende Zeitraum
reduziert wird, ist davon auszugehen, dass die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit
den Auösungsprozess verkürzt, und die sich der Kerndurchmesser daher in geringerem
168
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.6.: a) bis c) Fluoreszenzemissionsspektren von CdTe-Kernen (durchgezogene
Linien) und den zugehörigen CdTe/ 1 ML CdSe-QDs (gestrichelte Linien),
welche bei unterschiedlichen TDPA- und Vorstufenmengen (angegeben in %
des theoretisch benötigten Volumens für eine komplette Monolage) erhalten
wurden. Für die Experimente mit 50% des theoretischen Volumens und 70
mg TDPA ist ein Beispiel mit kleineren CdTe-Kernen in blau dargestellt.
d) Exemplarische TEM-Aufnahmen der unter verschiedenen Bedingungen
synthetisierten CdTe/CdSe-QDs. Die Aufnahmen stammen von den QDs,
deren Spektren in a) bis c) in schwarz dargestellt sind, nachdem weitere-
re Vorstufenvolumina zugegeben wurden (siehe Text). Der Maÿstabsbalken
beträgt in allen Aufnahmen 20 nm.
169
6.1. Zweistuge Synthese der CdTe/CdSe-Struktur
Umfang reduziert.
In Abbildung 6.6c sind die Fluoreszenzspektren von zwei Experimenten, welche mit 80%
des theoretischen Vorstufenvolumens, aber halbiertem TDPA zu CdTe-Kern Verhältnis (70
mg statt 140 mg unter Beibehaltung der CdTe-Kernkonzentration) im Vergleich zu den
in der Mitte der Abbildung gezeigten QDs synthortonetisiert wurden, dargestellt. In blau
sind die Spektren von Proben gezeigt, welche einen ähnlichen Kerndurchmesser wie die
in Abbildungsteil (a) und (b) gezeigten QDs (3,5 nm, bestimmt nach [111]) aufweisen.
Die Kerndurchmesser der QDs, deren Spektren in schwarz dargestellt sind, haben einen
ungefähr 0,2 nm gröÿeren Durchmesser (3,7 nm, bestimmt nach [111]). Bei beiden Pro-
ben führt die Halbierung der TDPA-Menge zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit,
wie an der Verschiebung des Fluoreszenzemissionesmaximums um 37 nm zu gröÿeren
Wellenlängen zu erkennen ist. Im Gegensatz dazu verschiebt sich bei doppelter TDPA-
Menge und gleichen Vorstufenvolumina das Maximum nur um 16 nm ( 6.6b). In diesem
Zusammenhang sei auÿerdem darauf hingewiesen, dass bei Verwendung des in [134] an-
gegebenen TDPA zu CdTe-QD Stomengenverhältnisses, welches um einen Faktor von
1000 geringer war, ein vollständiges Auösen der CdTe-Kerne während des Heizprozesses
für das Beschichten mit der ersten ML CdSe beobachtet wurde.
Auf den ersten Blick erscheint die Erhöhung der Vorstufenmenge und Reduzierung
des TDPA-Anteils in der Reaktionslösung sinnvoll, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu
erhöhen und so die Auösungsprozesse der CdTe-Kerne zu reduzieren. Abbildung 6.6d
zeigt TEM-Aufnahmen der Proben, deren Spektren in Abbildung 6.6a bis c gezeigt sind,
nach der Injizierung von weiteren Vorstufenvolumina. Das zugegebene Gesamtvolumen
der Vorstufen ist bei den gezeigten Proben ähnlich: Bei beiden Experimenten mit 80%
des theoretischen Vorstufenvolumens sind die QDs nach zweimaliger (insgesamt jeweils
0,84 ml Kationen- und Anionenvorstufenlösung), bei dem Experiment mit 50% des theo-
retischen Volumens nach dreimaliger Zugabe (insgesamt jeweils 0,95 ml Kationen- und
Anionenvorstufenlösung) der Vorstufen gezeigt. Alle Proben haben das gewünschte Fluo-
reszenzemissionsmaximum von  750 nm. Die Morphologien der Partikel unterscheiden
sich deutlich: Bei Verwendung von 80% des theoretischen Vorstufenvolumens und 70 mg
TDPA sind die Partikel nicht sphärisch, es sind viele Tetrapoden vorhanden. Die Ver-
dopplung der TDPA-Menge führt zu einer deutlich weniger elongierten und homogeneren
Partikelform. Die besten Resultate hinsichtlich der Morphologie werden aber bei Verwen-
dung von nur 50% des theoretischen Vorstufenvolumens erzielt.
Für die Folgeexperimente mit den QDs wurden die Synthesen im Rahmen dieser Arbeit
hinsichtlich einer möglichst einheitlichen sphärischen Morphologie optimiert, der Auö-
sungsprozess wurde dabei in Kauf genommen. Entsprechend wurde immer mit 50% des
theoretischen Vorstufenvolumens gearbeitet und 140 mg TDPA verwendet. Bestandteil
zukünftiger Experimente sollte weiterhin die Optimierung der Synthese hinsichtlich der
gezielten Verminderung des Auösungsprozesses sein.
170
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
6.2. Einstuge Synthese CdTe/CdSe-Struktur
Eine alternative Möglichkeit zur Unterdrückung der Kernauösung bietet eine Eintopfsyn-
these, bei welche die Kerne ohne Aufarbeitung direkt in der Syntheselösung beschichtet
werden. Neben der ausbleibenden Entfernung von stabilisierenden Oberächenliganden
von den CdTe-Kernen wird auch der Syntheseaufwand reduziert.
Die Synthese wurde zunächst nach [64] durchgeführt. Dabei wurde statt des dort ver-
wendeten Cd-Myristats das bereits bei der zweistugen Synthese eingesetzte Cd(OAc)2
als Vorstufe verwendet, da dieses eine niedrige Zersetzungstemperatur hat [134]. Die Syn-
these wurde ebenfalls in Octadecen, mit TDPA als stark koordinierenden Liganden und
mit Thermischen Zyklieren durchgeführt. Die Volumina der zugegebenen Vorstufen und
die Reaktionstemperaturen entsprachen exakt denen aus [64].
Die Ergebnisse einer solchen Synthese sind in Abbildung 6.7 zusammengefasst. Wie
erwartet, verschieben sich Absorptions- und Fluoreszenzemissionsmaxima bei steigender
Beschichtung mit CdSe zu gröÿeren Wellenlängen. Im Gegensatz zu den vorgestellten
Experimenten mit aufgearbeiteten CdTe-Kernen verschieben sich die Absorptions- und
Fluoreszenzemissionsmaxima nach Beschichtung mit einer ML CdSe nicht zu kleineren
Wellenlängen, sodass, wie eingangs erwähnt, der Auösungsprozess ausbleibt. Die Maxima
verschieben sich in Folge der Beschichtung insgesamt in deutlich geringerem Ausmaÿ als
in den Experimenten mit vorheriger Aufreinigung (siehe Abbildung 6.2 und Abbildung
6.5). Die Halbwertsbreite der QDs mit drei ML CdSe ist mit 34 nm relativ gering. Die
in Abbildung 6.7c gezeigten TEM-Aufnahmen der Partikel mit einer und drei ML CdSe
oenbaren allerdings eine unregelmäÿige Partikelform, sodass die Synthese mit den in [64]
vorgeschlagenen Parametern nicht sinnvoll erscheint.
Eine erfolgreiche Methode zur Darstellung homogener sphärischer CdTe/CdSe-QDs
ohne Aufreinigung der CdTe-Kerne beinhaltete folgende Änderungen der Synthesepara-
meter:
 Reduzierung des Vorstufenvolumens auf 50% des theoretisch benötigten Volumens
für eine Monolage,
 Zugabe der Cd- und Se-Vorstufen mit 30 Minuten Pause,
 Zugabe weiterer Vorstufenlösung erst, wenn die Absorptions- und Fluoreszenzemis-
sionsmaxima der Proben konstant bleiben,
 Halbierung der Se-Konzentration der Se-Vorstufenlösung und
 Erhöhung der Wachstumstemperatur auf 200 °C, 220 °C und 230 °C (im Vergleich
zu 180 °C, 190 °C und 200 °C) für die erste, zweite und alle weiteren Monolagen.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 6.8 und Tabelle 6.3 zusammengefasst. Mit steigender
CdSe-Schichtdicke verschieben sich die Fluoreszenzemissions- und Absorptionsmaxima zu
171
6.2. Einstuge Synthese CdTe/CdSe-Struktur
Abbildung 6.7.: Ergebnisse der CdTe/CdSe-QD-Synthese ohne Aufarbeitung der CdTe-
Kerne nach [64]. a) Absorptions- und b) Fluoreszenzemissionsspektren. c)
Exemplarische TEM-Aufnahmen. Der Maÿstabsbalken beträgt 20 nm.
172
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.8.: Ergebnisse der modizierten Eintopfsynthese: a) Absorptions- und b)
Fluoreszenzemissionsspektren. c) Exemplarische TEM-Aufnahmen mit den
Histogrammen der Gröÿenverteilungen. Durchmesser siehe Tabelle 6.3. Der
Maÿstabsbalken beträgt in allen Aufnahmen 20 nm.
173
6.2. Einstuge Synthese CdTe/CdSe-Struktur
Abbildung 6.9.: Fluoreszenzabklingkurve der CdTe/4 ML CdSe-QDs, welche mit der modi-
zierten Entopfsynthese erhalten wurden. Die mittlere amplitudengewichtete
Fluoreszenzlebensdauer beträgt 22 ns.
gröÿeren Wellenlängen, wobei die Verschiebung nach der ersten Vorstufenzugabe (eine
ML CdSe) mit 47 nm am stärksten ist. Bei Zugabe der Vorstufen für die weiteren ML
verschieben sich die Spektren lediglich um 17 nm (zweite und dritte ML) und 20 nm
(vierte ML). TEM-Aufnahmen der einzelnen Proben sind in Abbildung 6.8c gezeigt. Der
Durchmesser der QDs nimmt mit steigender Zugabe der Vorstufen zu, wobei die Zunahme
nach Zugabe der Vorstufen für die erste Monolage mit 1,5 nm deutlich über der theoretisch
erwarteten von 0,7 nm liegt, und die weiteren Zunahmen geringer sind als die theoretisch
erwartet. Die groÿe Zunahme der mittleren Partikelgröÿe zu Beginn der Reaktion ist
eventuell auf die Umsetzung von Cd- und Te-Vorstufen der Kernsynthese zurückzuführen.
Die Form der QDs ist auch nach viermaliger Zugabe der Vorstufenlösungen sphärisch und
homogen. Die QYF l sind in Tabelle 6.3 zusammengefasst. Wie im Fall der zweistugen
Synthese nimmt die QYF l zu Beginn der CdSe-Beschichtung ab (hier von 9% auf 3%)
und bei weiterer Beschichtung zu, wobei die QYF l der QDs mit drei ML CdSe nur 11%
beträgt (vgl. 65%). Die Fluoreszenzlebensdauer der QDs mit vier ML CdSe (Zerfallskurve
siehe Abbildung 6.9) ist mit 22 ns deutlich kurzlebiger als die der CdTe/3 ML CdSe der
Synthese mit Aufreinigung der CdTe-Kerne (51 ns).
Sowohl die QYF l als auch die Fluoreszenzlebensdauer der mit vier Monolagen beschich-
teten CdTe-QDs liegen im Bereich der bei der zweistugen Synthese ermittelten QYF l
für QDs mit zwei ML CdSe. Das Absorptionsspektrum der CdTe/4 ML CdSe ist ähn-
lich strukturiert wie das von Zhong et al. publizierte von CdTe/2 ML CdSe [134] und
dem hier präsentiertem Absorptionsspektrum von QDs mit zwei ML CdSe (siehe Abbil-
dung 6.5a). Nach bisherigem Kenntnisstand muss davon ausgegangen werden, dass die
Schichtdicke des CdSe auf den CdTe-QDs geringer ist als in den zuvor diskutierten Ex-
perimenten der zweistugen Synthese. Da die Kontrolle über die Kern-Schale-Struktur
durch die vorhandenen Cd- und Te-Vorstufen aus der Kernsynthese deutlich schwieriger
174
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Tabelle 6.3.: QYF l , F l und mittlere Durchmesser d der mittels Eintopfsynthese erhaltenen
QDs.
Probe QYF l / % F l/ nm d /nm
CdTe-Kern 9 596 4,0 0,6
CdTe/1 ML CdSe 3 643 5,5 0,5
CdTe/2 ML CdSe 2 660 6,0 0,6
CdTe/3 ML CdSe 11 677 6,3 0,6
CdTe/4 ML CdSe 29 697 6,5 0,6
zu bewerkstelligen ist als in der zweistugen Synthese, wurde dieser Ansatz der Synthese
für in Folgeexperimenten verwendete QDs nicht weiter verfolgt.
6.3. Beschichtung der CdTe/CdSe-Struktur mit ZnS
Die CdTe/CdSe-Strukturen wurden zur Passivierung mit ZnS-Schalen beschichtet. Die
zunächst durchgeführten Versuche mit den auch für die TypI-QDs aus Abschnitt 5 ver-
wendeten S- und Zn-Vorstufen schlugen fehl: Die Fluoreszenzspektren, Gröÿenverteilun-
gen und exemplarische TEM-Aufnahmen der QDs vor und nach der Zugabe der Zn- und
S-Vorstufen und 30-minütiger Reaktionszeit sind in Abbildung 6.10a gezeigt. Die Fluo-
reszenzspektren der QDs unterscheiden sich nur sehr geringfügig und die Histogramme
der Partikelgröÿenverteilung beider Proben überlagern sich vollständig, sodass nicht davon
auszugehen ist, dass eine ZnS-Schicht aufgetragen wurde.
In weiteren Versuchen wurde zur Beschichtung Zinkdiethyldithiocarbamat (ZDC) ver-
wendet, welches sowohl Zn- als auch S-Lieferant ist [134]. Die Ergebnisse der Versuche
mit 50% des theoretischen Volumens ZDC sind in Abbildung 6.10b, die mit 100% des
theoretischen Volumens in Abbildung 6.10c zusammengefasst. Im Gegensatz zu dem in
Abbildungsteil (a) gezeigten Ergebnissen unter Verwendung der traditionellen S- und Zn-
Vorstufen ist in Beispiel (b) eine signikante Verschiebung des PL-Emissionsmaximums
von 684 nm auf 696 nm sowie eine Vergröÿerung des mittleren Durchmessers der QDs
von 4,5 nm auf 4,7 nm vorhanden. Beides spricht für eine erfolgte Reaktion auf der QD-
Oberäche. Die Zunahme des Durchmessers liegt allerdings deutlich unter der erwarteten
für eine Monolage ZnS (0,6 nm). Die Verwendung von 100% des theoretischen Volumens
bei identischer Reaktionszeit und -temperatur führt zu einer Zunahme des Durchmessers
um 0,4 nm, und liegt damit näher am theoretisch erwarteten Wert von 0,6 nm. Die Analyse
der TEM-Aufnahmen zeigt, dass sich auch bei Verwendung von 100% des theoretischen
Volumens die Gröÿenverteilung und die Partikelmorphologie nicht verschlechtert. Im dis-
kutierten Beispiel nimmt die QYF l durch die Beschichtung mit ZnS von 71% auf 38% ab.
Die Verschiebung des Emissionsmaximums zu gröÿeren Wellenlängen um 45 nm (siehe
175
6.3. Beschichtung der CdTe/CdSe-Struktur mit ZnS
Abbildung 6.10.: Fluoreszenzemissionsspektren, exemplarische TEM-Aufnahmen und Histo-
gramme der Gröÿenverteilungen der CdTe/CdSe-QDs und der mit ZnS-
beschichteten QDs: a) ZnS-Beschichtung mit den Vorstufen, welche auch
für TypI-QDs verwendet wurden. b) ZnS-Beschichtung mit ZDC, 50% des
theoretisch benötigten Volumens c) ZnS-Beschichtung mit ZDC, 100%
des theoretisch benötigten Volumens. Die Ergebnisse der CdTe/CdSe-QDs
sind in schwarz, die der CdTe/CdSe/ZnS-QDs in rot dargestellt. Der Maÿ-
stabsbalken beträgt in allen TEM-Aufnahmen 20 nm.
176
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Tabelle 6.4.: d , QYF l und F l der in Abbildung 6.10 gezeigten Proben.
50%, S-ODE/Zn(OAc)2 50% ZDC 100% ZDC
ohne ZnS 5,8 0,5 4,5 0,5 5,3 0,6
d/nm
mit ZnS 5,8 0,6 4,7 0,5 5,7 0,6
ohne ZnS 65 67 71
QYF l/%
mit ZnS 61 70 38
ohne ZnS 812 nm 684 nm 780 nm
F l
mit ZnS 816 nm 696 nm 825 nm
Abbildung 6.11.: a) Fluoreszenzemissionsspektren von CdTe/3 ML CdSe-QDs und der mit
einer und zwei ML ZnS beschichteten QDs. b) Exemplarische TEM-
Aufnahmen der in a) gezeigten Proben. Der Maÿstabsbalken beträgt in
allen Aufnahmen 20 nm. Die mittleren Durchmesser sind (4,8  0,7) nm,
(5,4  0,6) nm und (5,8  0,6) nm für die QDs ohne, mit einer und mit
zwei ML ZnS.
Abbildungsteil (c)) ist ebenfalls deutlich ausgeprägter. Tabelle 6.4 fasst die Ergebnisse
der verschiedenen Experimente für eine bessere Übersichtlichkeit nochmals zusammen.
Auf Grund der relativen Lagen der Bandkanten von ZnS und CdSe sollten eigentlich
keine Ladungsträger in die ZnS-Schale übergehen [107] und die Übergangsenergien sollten
sich demzufolge nicht ändern. Die relativ starken Verschiebungen der Fluoreszenzemissions-
und Absorptionsmaxima, welche durch die Beschichtung mit ZnS hervorgerufen werden,
deuten aber auf eine Beteiligung der Energieniveaus der ZnS-Schale an den elektronischen
Übergängen in den QDs hin. Dies konnte durch die Beschichtung mit einer weiteren ML
ZnS unterdrückt werden, wie die Ergebnisse in Abbildung 6.11 zeigen: Es sind Fluores-
zenzemssionsspektren und exemplarische TEM-Aufnahmen von CdTe/3 ML CdSe-QDs,
CdTe/3 ML CdSe mit einer und CdTe/3 ML CdSe mit zwei ML ZnS dargestellt. Die
zusätzliche ZnS-Schicht führt nur zu einer sehr geringfügigen Verschiebung des Fluores-
zenzmaximus, gleichzeitig nimmt der mittlere Durchmesser um 0,4 nm zu, sodass davon
177
6.5. Energie- und Ladungstransfer mit LHCII und Methylviologen
auszugehen ist, dass auch die zweite ML ZnS erfolgreich aufgewachsen wurde. Die Par-
tikel sind auch nach Aufbringen von zwei ML ZnS sphärisch und haben eine homogene
Gröÿenverteilung ((5,7  0,5) nm).
6.4. Hydrophilisierung der QDs durch Ligandenaustausch mit
Dihydroliponsäure
Die Wasserlöslichkeit der QDs wurde durch einen Ligandenaustausch mit dem bidentaten
Liganden Dihydroliponsäure (DHLA) vermittelt, welcher mit den beiden Thiolfunktionen
an die QD-Oberäche koordiniert [249].
Die in Abbildung 6.11 gezeigten QDs mit drei ML CdSe sowie die mit 2 ML ZnS wurden
mit DHLA in die wässrige Phase überführt. Die Spektren der QDs mit den ursprünglichen
Liganden in Toluol und den mit DHLA modizierten in Wasser gelösten QDs sind in Ab-
bildung 6.12 gezeigt. Alle Proben hatten die gleiche optische Dichte bei der gewählten
Anregungswellenlänge (479 nm). Der Einuss der ZnS-Schale auf das optische Verhalten
ist deutlich erkennbar: Während die Fluoreszenz der CdTe/3 ML CdSe fast vollständig ge-
löscht wird, beträgt die Fluoreszenzintensität der QDs mit zwei ML ZnS in Wasser immer
noch 53% der ursprünglichen Intensität. Auÿerdem ndet durch den Phasentransfer eine
Verschiebung des Emissionsmaximums von 762 nm auf 804 nm statt. Diese spektrale Ver-
schiebung zu niedrigeren Energien wurde bei allen Experimenten beobachtet, war allerdings
nicht Gegenstand weiterer Untersuchungen. Vermutlich ist diese auf eine Beteiligung von
freien Elektronenpaaren der Thiolfunktionen des neuen Liganden DHLA an den Rekombi-
nationsprozessen zurückzuführen, was auch zu der Reduzierung der QYF l korrespondiert
(vgl. Abschnitt 2.2.4). Nichtsdestotrotz steigert die ZnS-Beschichtung die Fluoreszenzin-
tensität der in Wasser gelösten QDs erheblich gegenüber denen ohne ZnS-Beschichtung.
6.5. Energie- und Ladungstransfer mit LHCII und
Methylviologen
Die im folgenden vorgestellten Experimente wurden von Dr. Mara Werwie in der Arbeits-
gruppe Paulsen am Institut für Allgemeine Botanik der Johannes Gutenberg-Universität
Mainz durchgeführt. Zur Untersuchung der ablaufenden Prozesse wurde auch transiente
Absoprtionsspektroskopie eingesetzt, welche von Dr. Lars Dworak in der Arbeitsgruppe
Wachtveitl (Goethe-Universität Frankfurt am Main) realisiert wurde.
Der Lichtsammelkomplex II (LHCII) ist ein trimeres Protein [64], jedes seiner drei Mono-
mere bindet 14 Chlorophylle [250]. Der LHCII ist der Hauptbestandteil des Antennenkom-
plexe des Photosystems II und und ist in seiner biologischen Funktion für die Absorption
des einfallenden Lichts zuständig [64]. Obwohl berichtet wird, dass QDs nicht als Energie-
178
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.12.: Fluoreszenzemissionsspektren von CdTe/3 ML CdSe (schwarze Spektren)
und CdTe/3 ML CdSe/2 ML ZnS (rote Spektren) in Toluol (gestrichelte
Linien) und Wasser (durchgezogene Linien). Die Proben hatten die gleiche
optische Dichte bei exc = 479 nm.
akzeptoren mit organischen Farbstoen als Donoren agieren können (vgl. Abschnitt 2.2.5)
[150], konnte gezeigt werden, dass LHCII als Lichtsammler für die QDs dienen kann [64].
Der LHCII wird dabei über elektrostatische Interaktionen sowie über die Koordinierung der
His6-Tags an die Zn2+-Ionen an die QDs gebunden [251].
Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde mit den hier synthetisierten QDs unter-
sucht, ob und inwiefern der LHCII in Komplexen mit QDs entsprechend seiner biologischen
Funktion in Panzen agiert. Die Reaktionszentren, in denen die Ladungstrennung statt-
ndet, sind hier die QDs. Die Ladungstrennung wurde mit Hilfe des Elektronenakzeptors
Methylviologen (MV) detektiert, welcher sein Absorptionsverhalten durch die Aufnahme
von Elektronen (Reduktion) drastisch ändert. Die Ergebnisse der Untersuchung des Ener-
gietransfers und der durch den LHCII hervorgerufenen verstärkten Ladungstrennung in
den QDs an QD-LHCII-Komplexen sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden.
Die Fluoreszenzemissionsspektren der verwendeten CdTe/CdSe/ZnS-QDs in Toluol und
in Wasser sowie eine exemplarische TEM-Aufnahme sind in Abbildung 6.13a und b ge-
zeigt. Der mittlere Durchmesser der QDs betrug (5,3  0,7) nm. Analog zu den oben
vorgestellten Experimenten ndet auch hier auf Grund des Ligandenaustauschs eine Ver-
schiebung des Fluoreszenzemissionsmaximums von 740 nm auf 763 nm statt. In Abbildung
6.13c sind die Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren der QDs und des LHCII ge-
zeigt. Die QDs wurden so synthetisiert, dass deren Absorptionsspektrum gut mit dem
Fluoreszenzspektrum des LHCII überlappt, um einen möglichst ezienten Energietransfer
zu ermöglichen. Die gewählte Anregungswellenlänge von 470 nm ist in Abbildung 6.13c
mit einer blauen Linie markiert.
Alle Experimente wurden mit equimolaren Verhältnissen von LHCII-Trimeren und QDs
durchgeführt. Die Fluoreszenzemissionsspektren von LHCII, QDs und den QD-LHCII-
Komplexen nach Anregung mit 470 nm sind in Abbildung 6.13d dargestellt. Durch die
179
6.5. Energie- und Ladungstransfer mit LHCII und Methylviologen
Abbildung 6.13.: Zusammenfassung der Ergebnisse zur Untersuchung der elektronischen
Wechselwirkung von wasserlöslichen CdTe/3 ML CdSe/ 1 ML ZnS mit dem
LHCII. a) Fluoreszenzemissionsspektren der QDs in Toluol und in Wasser.
b) Exemplarische TEM-Aufnahme der QDs. Der mittlere Durchmesser be-
trägt (5,3  0,7) nm. Der Maÿstabsbalken beträgt 20 nm. c) Absorptions-
und Fluoreszenzemissionsspektren der QDs und des LHCII. Die Anregungs-
wellenlänge ist mit einer blauen Linie markiert. d) Fluoreszenzemissions-
spektren des LHCII, der QDs und des 1:1 QD-LHCII-Komplexes (ein LHCII-
Trimer pro QD). Auÿerdem sind noch die aus dem Spektrum des Komplexes
extrahierten Beiträge der QDs und des LHCII gezeigt. Die Fluoreszenz des
LHCII wird durch die Bindung an die QDs gelöscht, die der QDs verstärkt.
e) Fluoreszenzemissionsspektren des Komplexes in Anwesenheit des Elek-
tronenakzeptors MV. Die QD-Fluoreszenz wird auf Grund des Ladungs-
transfers auf das MV komplett gelöscht.
180
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Bindung des LHCII an die QDs wird dessen Fluoreszenzintensität um etwa 50% verrin-
gert, gleichzeitig wird die der QDs verstärkt. Zur Verdeutlichung sind die individuellen
Beiträge der QD-Fluoreszenz und der LHCII-Fluoreszenz zur Gesamtintensität des LHCII-
QD-Spektrums dargestellt (gestrichelte Linien). Die geringere Fluoreszenzintensität des
LHCII gegenüber der des reinen LHCII und die gesteigerte Intensität der QDs gegen-
über der der reinen QD-Lösung sind klar erkennbar. Es ndet demnach ein elektronischer
Energietransfer vom LHCII auf die QDs statt, wie bereits in [64] ausführlich diskutiert.
Darüber hinaus wurden auch Proben mit zusätzlichem MV präpariert. Da reduzier-
tes MV durch Sauersto reoxidiert wird, wurde den Proben ein Enzymmix (Glukose-
Oxidase und Catalase) zugegeben, welcher den Sauersto aus den Proben verbraucht. Die
Fluoreszenzemissionsspektren dieser Proben sind in Abbildung 6.13e gezeigt. Zusätzlich
sind abermals die aus dem Spektrum der LHCII-QD-MV-Mischung extrahierten Beiträ-
ge der QDs und des LHCII dargestellt. Die Fluoreszenzintensität des LHCII wird auch
in Anwesenheit des MV reduziert, die Fluoreszenz der QDs wird, im Gegensatz zum Ex-
periment ohne MV, komplett gelöscht. Da die Löschung des LHCII im gleichen Umfang
wie beim Experiment ohne MV stattndet, ist davon auszugehen, dass der elektronische
Energietransfer vom LHCII auf die QDs auch in Anwesenheit von MV passiert. Im QD
rekombinieren Elektron und Loch allerdings nicht strahlend, sondern es ndet ein Elek-
tronentransfer von den QDs auf das MV statt, welcher mit femtosekundenaufgelöster
transienter Absorptionsspektroskopie von QD-Lösungen und QD-Lösungen mit zusätzli-
chem MV nachweisbar ist [252].
Darüber hinaus konnte in einer Experimentalreihe mit LHCII-MV, QD-MV und LHCII-
QD-MV-Lösungen gezeigt werden, dass der Anteil an reduziertem MV höher ist, wenn
LHCII und QDs vorlagen, als die Summe von durch die Einzelkomponenten (LHCII und
QDs) reduziertem MV. Demnach ist in der Tat durch den LHCII eine verstärkte Ladungs-
trennung in den QDs nachweisbar. Diese wird durch die erhöhte Anregung der QDs durch
den elektronischen Energietransfer vom LHCII auf die QDs ermöglicht. Der LHCII agiert
also im künstlichen System der Komplexe mit QDs entsprechend seiner biologischen
Funktion und verstärkt die Ladungstrennung in den QDs.
6.6. Komplexe mit Terrylendiimid
Analog zu den in Abschnitt 5 beschriebenen Experimenten mit TypI-QDs und PDI wer-
den im folgenden Komplexe aus einem mit zwei Carboxyl-Funktionen ausgestattetem
Terrylendiimid-Derivat (TDI, Molekülstruktur siehe Abbildung 6.14a) und CdTe/CdSe/
ZnS-QDs untersucht. Dabei soll überprüft werden, ob die QDs auch als Energieakzepto-
ren mit TDI fungieren können. Die QDs wurden zur Optimierung des Energietransfers so
synthetisiert, dass der Überlapp zwischen QD-Absorption und TDI-Fluoreszenz groÿ ist,
gleichzeitig wurde der Überlapp zwischen QD-Fluoreszenz und TDI-Absorption möglichst
gering gehalten, um einen Energietransfer von den QDs auf TDI zu vermeiden. Die Spek-
181
6.6. Komplexe mit Terrylendiimid
Abbildung 6.14.: a) Molekülstruktur des verwendeten TDIs. Die beiden Carboxylatfunktionen
vermitteln die Bindung an die QDs. b) Fluoreszenzemissions- (gestrichelte
Linien) und Absorptionsspektren (durchgezogene Linien) des TDIs und der
verwendeten CdTe/2 ML CdSe/2 ML ZnS-QDs.
tren des TDIs und der eingesetzten CdTe/3 ML CdSe/2 ML ZnS-QDs sind in Abbildung
6.14b dargestellt. TEM-Aufnahmen der QDs sind in Abbildung 6.11b gezeigt.
Die Absorptions- und Emissionsspektren der QDs, des TDIs und der QD-TDI-Komplexe
mit nominellen TDI zu QD-Verhältnissen von 0,3:1, 1:1 und 2:1 sind in Abbildung 6.15a
bis c dargestellt. Alle Proben wurden mit einer Wellenlänge von 600 nm angeregt, bei der
sowohl TDI als auch QDs absorbieren. Die TDI-Fluoreszenz bei 670 nm wird durch die
Bindung an die CdTe/CdSe/ZnS-QDs gelöscht. Der Eekt verstärkt sich mit steigendem
Akzeptor-(QD)-Gehalt in den Proben (von (a) nach (c) in Abbildung 6.15). Eine TDI-
Restuoreszenz ist in der Probe mit 2 TDI pro QD deutlich zu erkennen. Allerdings ist im
Gegenzug keine Zunahme der QD-Fluoreszenz bei etwa 770 nm mit steigendem Donor-
gehalt zu beobachten. Stattdessen wird die QD-Fluoreszenz mit steigendem TDI-Gehalt
in den Proben immer stärker gelöscht, bei 2 TDI pro QD ist fast keine Fluoreszenz der
QDs mehr detektierbar.
Zur weiteren Analyse dieser Beobachtungen wurden die Komplexe auch mit einer Wel-
lenlänge von 700 nm angeregt, bei der nur die QDs absorbieren, nicht aber das TDI. Die
Spektren der Komplexe nach Anregung mit 600 nm und 700 nm sind in Abbildung 6.16a
zusammengefasst. Nach Anregung mit 700 nm ist nur noch eine geringe Restuoreszenz
der Komplexe vorhanden, sodass die Signaturen der einzelnen Komponenten nicht mehr
zuzuordnen sind.
Von den Komplexen mit 0,3 und 1 TDI pro QD gelang trotz der geringen Fluoreszenzin-
tensitäten die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauern bei selektiver Anregung der QDs
mit einer Wellenlänge von 730 nm. Die Detektionswellenlänge der Emission lag bei 750
nm (Fluoreszenzemissionsmaximum der QDs) Die Zerfallskurven sind in Abbildung 6.16b
dargestellt. Die mittleren amplitudengewichteten Fluoreszenzlebensdauern verkürzen sich
von 41,5 ns für die QDs ohne TDI auf 19,8 ns für die QDs mit 0,3 TDI und 13,1 ns für
182
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Abbildung 6.15.: Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren der QD-TDI-Komplexe mit
a) 2 TDI, b) 1 TDI und c) 0,3 TDI pro QD. Zur besseren Übersichtlich-
keit sind jeweils die Spektren der reinen QDs und der reinen TDI-Lösung
gezeigt. Die Spektren der reinen QDs wurden auf die in den Mischun-
gen vorliegenden Konzentrationen korrigiert. Die schwarzen Linien in Ab-
bildungsteil a) kennzeichnen die beiden Anregungswellenlängen von 600 nm
und 700 nm. Die Anregungswellenlänge für die Fluoreszenzemissionsspek-
tren in dieser Abbildung war 600 nm. Die Farbskala ist für die Absorptions-
und Fluoreszenzemissionsspektren gleich.
183
6.7. Fazit
Abbildung 6.16.: a) Fluoreszenzemissionsspektren der Komplexe nach Anregung mit 600 nm
(TDI und QDs werden angeregt, gepunktete Linien) und 700 nm (selekti-
ve QD-Anregung, durchgezogene Linien). b) Fluoreszenzzerfallskurven der
Komplexe mit 0,3 und 1 TDI pro QD. Die Anregungswellenlänge wurde
mit 730 nm so gewählt, dass ausschlieÿlich die QDs angeregt werden.
die QDs mit 1,0 TDI. Darüber hinaus konnten die Zerfallskurven der QD-TDI-Komplexe
nur mit drei Zerfallszeiten zufriedenstellend angepasst werden, wohingegen die der QDs
ohne TDI mit zwei Komponenten angepasst werden konnte. In Gegenwart des TDIs auf
der QD-Oberäche zerfällt der angeregte Zustand der QDs also über einen zusätzlichen
Zerfallskanal.
Bei simultaner Anregung der QDs und des TDIs in den Lösungen wird die Fluores-
zenz beider Komponenten reduziert. Es konnte kein Energietransfer von TDI auf die QDs
detektiert werden. Auch bei selektiver Anregung der QDs ist ihre Fluoreszenzintensität
deutlich geringer als die der reinen QDs ohne TDI. In Gegenwart des TDIs ist ein zusätz-
licher Zerfallskanal der QD-Fluoreszenz vorhanden, sodass davon auszugehen ist, dass
für die Löschung beider Komponenten ein den TDI-Grundzustand beteiligender Mecha-
nismus vorliegt. Die zur Fluoreszenzlöschung beider Komponenten beitragenden einzelnen
Prozesse wurden im Rahmen der durchgeführten Experimente nicht genauer analysiert.
In Analogie zu den in Abschnitt QD-PDI untersuchten CdSe-PDI-Komplexen wäre dies
auch hier mit Hilfe transienter Absorptionsspektroskopie möglich. Ein Einsatz von TDI als
Energiedonor für TypII-QDs ist nach dem jetzigen Kenntnisstand nicht sinnvoll.
6.7. Fazit
Die Synthese von sphärischen CdTe/CdSe/ZnS-QDs gelang mit Modikationen nach der
Synthesevorschrift aus [134]. Die Synthesedauer konnte durch einfaches Erhöhen der Re-
aktionstemperaturen erheblich verkürzt werden. Die Verringerung der TDPA-Menge und
Erhöhung der Vorstufenvolumina reduzierten zwar die beobachtete CdTe-Auösung zu
Beginn der Beschichtung, führten allerdings zu Kern-Schale-Partikeln mit unregelmäÿiger
184
6. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-Kern-Schale-Nanokristallen
Morphologie. Die mit DHLA hydrophilisierten QDs konnten erfolgreich als Energieakzep-
toren mit LHCII eingesetzt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der LHCII
die Ladungstrennung in den QDs verstärkt. TDI funktioniert nicht als Energiedonor für
CdTe/CdSe/ZnS-QDs, die Fluoreszenz beider beteiligten Komponenten wurde in Folge
der Komplexierung gelöscht.
185
7. Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Wechselwirkung von anorgani-
schen Nanopartikeln und organischen Fluorophoren in verschiedenen Systemen untersucht.
Zunächst wurden Goldnanopartikel (GNP) mit dem wasserlöslichen Chlorophyll bindendem
Protein (WSCP) zu Dimeren assembliert. Auÿerdem wurden Komplexe aus uoreszie-
renden CdSe-Halbleiternanokristallen (QDs) und einem mit Carboxylatankern dekorierten
Perylendiimidderivat (PDI) aufgebaut. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Synthese von
sphärischen CdTe/CdSe/ZnS-QDs vorgestellt, welche in Komplexen mit dem Lichtsam-
melkomplex II (LHCII) sowie mit einem Terrylendiimidderivat (TDI) verwendet wurden.
Die Assemblierung von GNP-Dimeren konnte auf drei Wegen realisiert werden. WSCP
adsorbierte zum einen direkt an die citrat-stabilisierten GNPs. Auÿerdem wurden Strept-
avidin-stabilisierte GNPs (SA-GNPs) mit einer mit Biotineinheiten funktionalisierten
WSCP-Variante assembliert. Streptavidin agierte dabei sowohl als Stabilisator für die
GNPs als auch als Funktionalisierung zur Bindung des WSCPs. Die Streptavidin-Biotin-
Bindung wurde auch für die Bindung des WSCPs an Polyethylenglykol stabilisierte GNPs
(PEG-GNPs) genutzt.
Während die Variante der direkten Bindung des WSCPs, wahrscheinlich unterstützt
durch die metallanen Hexahistidin-Tags an den N-Termini des Proteins, an die citrat-
stabilisierten GNPs die einfachste und schnellste Methode zum Aufbau WSCP-verbrückter
GNPs darstellt, ist sie gleichzeitig auch die am wenigsten reproduzierbare aller Methoden.
Problematisch ist, dass einerseits eine gewissen Salzfracht in den Lösungen vorhanden
sein muss, um eine Aggregierung der GNPs zu induzieren. Andererseits aggregieren citrat-
stabilisierte GNPs bei zu hohen Salzfrachten auch ohne WSCP. Die individuell notwendige
Salzkonzentration konnte nicht quantiziert werden.
Die WSCP-vermittelte Aggregierung SA-stabilisierter GNPs ist deutlich besser kon-
trollierbar, die mit TEM-Aufnahmen ermittelten Dimeranteile waren aber mit maximal
30% relativ gering. Um die Dimerausbeuten zu erhöhen, wurde versucht, die Anzahl der
WSCP-Bindungsstellen an den GNPs mit Hilfe verschiedener PEG-Derivate einzustellen.
Erwartungsgemäÿ aggregierten die GNPs weniger, wenn eine geringere Anzahl an Bin-
dungsstellen auf den GNPs vorlag. Eine Erhöhung der Dimerausbeute konnte aber nicht
beobachtet werden.
Der Aufbau von GNP-Aggregaten konnte an Hand der Verbreiterung und Verschiebung
des Plasmonenresonanzpeaks in Extinktionsspektren nachgewiesen werden. Als weitere
Methode für den Nachweis der WSCP-Bindung erwies sich die Fluoreszenzkorrelations-
186
7. Zusammenfassung und Ausblick
spektroskopie als geeignet. Die Diusionszeit des WSCPs war auf Grund der Bindung an
die GNPs deutlich gegenüber der des reinen WSCPs erhöht. Bei allen drei GNP-Varianten
konnte auÿerdem einzelmolekülspektroskopisch die Chlorophyll-Emission des WSCPs an
GNP-Dimeren nachgewiesen werden.
Da beobachtet wurde, dass sich auf TEM-Proben die Probenzusammensetzungen in
verschiedenen Regionen mitunter stark voneinander unterschieden, wurden von zwei Pro-
ben mit PEG-stabilisierten GNPs mit und ohne WSCP Cryo-TEM-Aufnahmen angefer-
tigt. Die Proben werden dabei schockgefrostet, sodass der Zustand der Probe in Lösung
festgehalten und abgebildet werden kann. Mit Hilfe dieser Aufnahmen konnte eindeutig
nachgewiesen werden, dass sich die Anzahl der Aggregate in den Proben durch die Bin-
dung des WSCPs an die GNPs erhöht. Auÿerdem wurde eine Vergröÿerung des mittleren
Interpartikelabstands von 3,8 nm (ohne WSCP) auf 9,0 nm (mit WSCP) gefunden. Die
Zunahme des Abstands beweist das Vorliegen von WSCP im Zwischenraum der GNPs.
Der gefundene Abstand von 9,0 nm ist auÿerdem im Einklang mit dem an Hand von AFM-
Höhenbildern ermittelten mittleren Abstand PEG-stabilisierter GNP-WSCP-Dimere.
Die Dimere können in den Lösungen mit Viskositätsgradientenzentrifugation angerei-
chert werden. Als uides Medium können Saccharoselösungen unterschiedlicher Konzen-
tration verwendet werden. Der Dimeranteil konnte auf bis zu 44% erhöht werden. Fluores-
zenzkorrelationsspektroskopische Messungen zeigten, dass auch nach der Zentrifugation
WSCP an den GNPs gebunden vorlag. Je nach Oberächenpassivierung der eingesetzten
GNPs unterschieden sich den theoretischen Erwartungen und Berechnungen entsprechend
die Extinktionsspektren der Dimerfraktionen von den Spektren der Monomerfraktionen:
Für die direkte Bindung des WSCPs an citrat-stabilisierte GNPs waren zwei auf Ensem-
bleebene spektral voneinander unterscheidbare Resonanzpeaks vorhanden. Bei Erhöhung
des Interpartikelabstands durch die SA-Stabilisierung der GNPs erhöht sich die longitu-
dinale Resonanzfrequenz der Dimere, sodass nur ein breiter Peak in dem Spektrum der
Dimerfraktion zu beobachten war.
Gelelektrophoretisch gelang die Trennung SA- und PEG-stabilisierter
GNP-WSCP-Aggregate, wobei maximal 50% Dimere angereichert werden konnten. Ge-
nerell ist die Trennleistung der Gelelektrophorese höher als die der Viskositätsgradienten-
zentrifugation, was die Gelelektrophorese zu einer vielversprechenden Methode zur Anrei-
cherung der Dimere macht. Allerdings zersetzten sich bei der Extrahierung der Proben
aus den Agagrosegelen sowohl die Aggregate mit SA-stabilisierten als auch die mit PEG-
stabilsierten GNPs, woraus geschlussfolgert wurde, dass die SA-Biotin-Bindung an den
GNPs nicht stabil genug für die Methode ist.
Das spektroskopische Verhalten des WSCPs im plasmonischen Feld zwischen zwei GNPs
wurde an einem kombinierten Einzelmolekül-/Rasterkraftmikroskop untersucht1. Dabei
dienten die rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen der Ermittlung des Oligomerisierungs-
1Die Experimente wurden von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit durchgeführt.
187
grads, der Ermittlung der Partikel bzw. Aggregatgröÿen und der relativen Orientierung
der Dimere zur Anregungspolarisation. Es konnte eindeutig gezeigt werden, dass ein ver-
stärktes Feld nur bei einer parallel zu Dimerverbindungsachse eingestellten Anregungspo-
larisation existiert, und dass auch nur dann WSCP-Fluoreszenz detektierbar ist.
Weiterhin konnte eine auf das plasmonische Feld zurückzuführende Anregungsverstär-
kung des WSCPs nachgewiesen werden. Diese war mit einem Faktor von 3,6 (bestimmt
aus aus der Verkürzung des Bleichzeitpunkts) bis 9,1 (bestimmt aus der maximal gemes-
senen Photonenzahl pro 100 ms) geringer, als die aus der simulierten Feldverstärkung zu
erwartende Anregungsverstärkung von 196. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: Beispiels-
weise müssen die Chlorophylle nicht unbedingt an der Stelle maximaler Feldverstärkung
positioniert gewesen sein. Desweiteren kann die Orientierung des Übergangsdipolmoments
des Chlorophylls relativ zu den Feldlinien ungünstig und darüber hinaus in jedem Dimer
unterschiedlich gewesen sein. Es wäre auch denkbar, dass bei den durch das plasmonische
Feld hervorgerufenen hohen Feldstärken bereits eine Sättigung des WSCPs eingetreten
war. Die Sättigungsleistung für WSCP bzw. Chlorophyll a ist nicht bekannt, und sollte im
Hinblick auf weitere Untersuchungen ermittelt werden.
Ein Vergleich der mittleren Gesamtzahl detektierter Photonen von WSCP an Dimeren
mit der von reinem WSCP zur Abschätzung von der durch das Plasmon hervorgerufe-
nen Verstärkung strahlender Übergange wurde durchgeführt. Dabei wurde für die SA-
stabilisierten GNPs eine Erhöhung der Gesamtzahl detektierter Photonen von 4,7 x 104
(reines WSCP) auf 12,2 x 104 (Dimere) bzw. 14,8 x 104 (Monomere) bestimmt. Für
PEG-stabilisierte Dimere erhöhte sich die Zahl von 4,5 x 104 (WSCP) auf 7,0 x 104 (Di-
mere). Die gröÿte Verstärkung wurde scheinbar für die Monomere mit SA-stabilisierten
GNPs gefunden, allerdings wurden insgesamt nur sechs Monomere gemessen, von denen
bei drei Strukturen auf Grund mangelnder Auösung nicht eindeutig zuzuordnen ist, ob
es sich um elongierte Monomere oder Dimere mit einem sehr kleinen Interpartikelabstand
handelt. Daher kann für diese Gruppe keine abschlieÿende Beurteilung erfolgen. Für die
beiden untersuchten Dimervarianten ist festzuhalten, dass durch die Bindung des WSCPs
an die Goldnanoantennen die Zahl emittierter Photonen zunimmt. Die mit 62% stärkere
Zunahme der Gesamtzahl detektierter Photonen bei Verwendung SA-stabilisierter GNPs
gegenüber den PEG-Dimeren mit einer Zunahme von 42% korreliert mit den theoretischen
Erwartungen: Die SA-stabilisierten GNP-Dimere haben einen etwas geringeren Interparti-
kelabstand und damit einen etwas gröÿeren Überlapp mit der WSCP-Fluoreszenz als die
PEG-stabilisierten Dimere, was in einer gröÿeren Fluoreszenzvertärkung resultiert.
Auf Grund der Flexibilität bietet die PEG-Stabilisierung der GNPs für zukünftige Expe-
rimente die meisten Möglichkeiten. Es könnten GNPs mit anderen Partikelformen (Stäb-
chen, Prismen) funktionalisiert werden und die Methode erlaubt durch den Einsatz von
PEGs unterschiedlicher Kettenlängen eine Variation der Interpartikelabstände. Der Ein-
satz von Thiol-funktionalisierten WSCPs für die Bindung an die GNPs mittels der stabilen
Schwefel-Gold-Bindung und die anschlieÿende Passivierung der Strukturen mit PEG für
188
7. Zusammenfassung und Ausblick
die Anreicherung mit Hilfe von präparativer Gelelektrophorese ist Gegenstand aktueller
Untersuchungen.
Zur Verbesserung der Fluoreszenzverstärkung wären Strukturen mit geringerem Inter-
partikelabstand (beispielsweise mit Hilfe der genannten direkten Thiol-vermittelten Bin-
dung des WSCPs an die GNPs) oder mit gröÿeren GNPs notwendig. Weiterhin bietet
sich WSCP an, um die Beeinussung der spontanen Emissionrate durch das Plasmon zu
untersuchen: Möglich wäre die Anregung des WSCPs mit einer kürzeren Wellenlänge (400
nm bis 440 nm), sodass das WSCP, nicht aber das Partikelplasmon angeregt wird. Erhöht
bzw. verringert sich die Fluoreszenzintensität gegenüber reinem WSCP, so wäre dies nur
auf die Verstärkung bzw. Löschung der spontanen Emission des WSCPs zurückzuführen.
Der zweite Themenblock dieser Arbeit widmete sich der Untersuchung der elektroni-
schen Wechselwirkungen zwischen einem Perylendiimid-Derivat und CdSe-QDs. Hierfür
wurden unpassivierte CdSe-QDs, CdSe-QDs mit einer Passivierungsschicht aus einer Mo-
nolage CdS und zwei Monolagen ZnS bzw. fünf Monolagen ZnS synthetisiert. Dabei wurde
zur besseren Vergleichbarkeit darauf geachtet, dass die Lage der Fluoreszenzemissions-
maxima und Absorptionsmaxima aller drei QD-Varianten gleich waren. Mit den gewählten
spektroskopischen Eigenschaften der QDs war es möglich, sowohl die QDs als auch den
Farbsto in den Komplexen selektiv anzuregen.
Nach Anregung der QDs wurde in den statischen Fluoreszenzemissionsspektren der er-
wartete, und für passivierte CdSe-QDs bereits intensiv untersuchte, Energietransfer von
den QDs auf PDI beobachtet: Die Emissionsintensität der QDs nahm mit steigender Kon-
zentration des PDIs ab, die des PDIs zu. Gleichzeitig wurde, insbesondere bei Verwendung
der CdSe-QDs als Energiedonoren, eine Reduzierung der PDI-Fluoreszenz bei hohen PDI-
QD-Verhältnissen gefunden. Der Energietransfer von unpassivierten CdSe-QDs auf das
PDI sowie die Reduzierung der PDI-Fluoreszenz waren Gegenstand der weiteren experi-
mentellen Untersuchungen.
Der Energietransfer von den CdSe-QDs auf das PDI wurde mit Hilfe transienter Absorp-
tionsspektroskopie genauer analysiert2. Für geringe PDI-QD-Verhältnisse bis einschlieÿ-
lich 0,8 PDI pro QD wurde eine Energietransferkomponente gefunden, welche sich von
500 ps für 0,1 PDI pro QD auf 180 ps für 0,8 PDI pro QD beschleunigte. Für höhere
PDI-Gehalte wurde eine zusätzliche Transferzeit gefunden, welche mit 0,3 ps an der zeitli-
chen Auösungsgrenze des verwendeten Messaufbaus lag und der Intrabandrelaxationszeit
von CdSe-QDs entspricht. Der Energietransfer ndet demnach nicht nur aus dem 1S(e)-
Niveau statt, sondern auch vom 1P(e)-Zustand und involviert somit heiÿe Exzitonen der
QDs. Die Intrabandrelaxation und der heiÿe Exzitonen involvierende Energietransfer auf
das PDI stehen in Konkurrenz zueinander, wobei die Wahrscheinlichkeit des Energietrans-
fers aus dem 1P(e)-Zustand mit steigender PDI-Konzentration auf der CdSe-Oberäche
zunimmt und bei der Probe mit dem gröÿten PDI-QD-Verhältnis einen Anteil von 47% des
2Die Experimente und die Datenanalyse wurden von Dr. Lars Dworak (Arbeitsgruppe Prof. Wachtsveitl,
Goethe-Universität Frankfurt am Main) durchgeführt.
189
gesamten Energietransfers ausmacht. Nach bisherigem Kenntnisstand wurde noch nicht
von einem solchen, heiÿe Exzitonen involvierendem, Energietransfer berichtet.
Die Reduzierung der PDI-Fluoreszenz wurde auch beobachtet, wenn selektiv das PDI
in den QD-Farbstokomplexen angeregt wurde, wobei die Reduzierung der Fluoreszenz
abhängig von der Passivierung der CdSe-QDs war. Unpassivierte CdSe-QDs zeigten bereits
bei geringen PDI-QD-Verhältnissen eine starke Reduzierung der PDI-Fluoreszenzintensität.
Bei Verwendung von mit fünf Monolagen ZnS passivierten QDs nahm die Fluoreszenzin-
tensität erst bei einem Verhältnis von 4,9 PDI pro QD gegenüber der Intensität von
reinem PDI ab. Die Fluoreszenzlöschung ging mit einer Beschleunigung des Zerfalls der
Fluoreszenz des an QDs gebundenen PDIs einher, welche ebenfalls von der Passivierung
der CdSe-QDs abhing. Der Zerfall der PDI-Fluoreszenz beschleunigte sich mit steigendem
PDI-QD-Verhältnis im Fall der CdSe-QDs von 5,6 ns für reines PDI auf 2,4 ns für die
Probe mit 0,1 PDI pro QD und weiter auf 1,6 ns für die Probe mit 3,7 PDI pro QD. Bei
mit fünf Monolagen passivierten QDs beschleunigte sich der Zerfall nicht so drastisch: Die
Fluoreszenzlebensdauer nahm von 4,0 ns (0,1 PDI pro QD) auf 3,4 ns (4,9 PDI pro QD)
ab.
Mit Hilfe transienter Absorptionsspektrokopie3 konnte die Reduzierung der Fluoreszenz
des PDIs an CdSe-QDs auf einen Elektronentransfer von den im Grundzustand bendlichen
CdSe-QDs auf das angeregte PDI zurückgeführt werden. Dabei konnte für die Probe mit
dem höchsten PDI-CdSe-Verhältnis eine positive Absorptionsänderung gefunden werden,
welche spektral dem PDI-Radikalanion zuzuordnen ist. Der Ladungstransfer beschleunigte
sich von 1 ns für die Probe mit 0,8 PDI pro QD auf 0,26 ns für die Probe mit 5,2 PDI
pro QD. Die Ursache für diese Beschleunigung konnte noch nicht gefunden werden. An
Hand der Ensemblespektren ist eine Aggregatbildung der PDIs auf der QD-Oberäche
nicht nachweisbar. Denkbar wäre bei hohen PDI-QD-Verhältnissen die Besetzung von
Kristallfacetten, welche elektronenreich sind, so dass der Elektronentransfer vereinfacht
wird.
Insgesamt können die Prozesse in CdSe-PDI-Komplexen folgendermaÿen zusammenge-
fasst werden: Nach Anregung der QDs ndet ein Energietransfer auf das PDI statt. Dieser
beschleunigt sich mit steigender Akzeptorkonzentration. Bei hohen PDI-QD-Verhältnissen
tritt eine zusätzliche sehr schnelle Energietransferkomponente auf, welche auf den Ener-
gietransfer von heiÿen Exzitonen zurückzuführen ist, und deren Beitrag zum gesamten
Energietransfer mit steigender Akzeptorkonzentration zunimmt. Bendet sich das PDI im
angeregten Zustand, ndet ein Elektronentransfer von den CdSe-QDs im Grundzustand
auf das HOMO des PDIs statt.
Interessant im Hinblick auf weitere Experimente wäre die Untersuchung von CdSe-
QDs, welche mit unterschiedlich dicken Passivierungsschichten ausgestattet sind. Eventu-
ell lieÿe sich eine Schichtdicke bestimmen, ab welcher der Ladungstransfer (fast) vollstän-
3Die Experimente sowie die Datenanlayse wurden von Dr. Lars Dworak durchgeführt.
190
7. Zusammenfassung und Ausblick
dig unterbunden wird. Zur genaueren Analyse der Abhängigkeit des Elektronentransfers
von der PDI-Belegungsdichte wären auch Experimente mit besonders Selen-reichen (bzw.
Schwefel-reichen) oder Cadmium-reichen (bzw. Zink-reichen) QDs interessant.
Im letzten Teil der Arbeit wurde die Synthese von sphärischen CdTe/CdSe/ZnS-QDs
präsentiert. Die Synthese gelang nach der Vorschrift von Zhang et al. [134], wobei das
angegebene Verhältnis von TDPA-Liganden zu CdTe-Kernen um einen Faktor von etwa
1000 angehoben werden musste. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Durchführung
der Synthese bei höheren Temperaturen eine erhebliche Verkürzung der Synthesedauer
ermöglichte, ohne dass Qualitätsverluste im Hinblick auf Partikelform und Fluoreszenz-
quantenausbeute zu beobachten waren. Das Vorliegen einer TypII-Struktur konnte mit den
gefundenen langen Fluoreszenzlebensdauern von bis zu 51 ns belegt werden. ZnS-Schalen
konnten nur erfolgreich mit der Vorstufe Zinkdithiodicarbamat aufgetragen werden, mit
dem Einsatz der Vorstufen Schwefel und ZnO, welche erfolgreich für die Synthese der
CdSe/CdS/ZnS-QDs verwendet wurden, konnte unter den verwendeten Synthesebedin-
gungen keine ZnS-Schale auf die CdTe/CdSe-Strukturen aufgewachsen werden. Der Ein-
uss der ZnS-Schale auf die photophysikalischen Eigenschaften der QDs wurde nach dem
Ligandenaustausch mit Dihydroliponsäure (DHLA) und Überführung der QDs in die wäss-
rige Phase deutlich: Ohne die ZnS-Schicht war die Reduzierung der QY in Folge der Über-
führung in die wässrige Phase deutlich gröÿer, als mit den passivierenden ZnS-Schichten.
Die wasserlösslichen CdTe/CdSe/ZnS-QDs konnten erfolgreich an den LHCII gebunden
werden4. Die spektroskopischen Untersuchungen dieser Komplexe, ebenfalls durchgeführt
von Dr. Mara Werwie, zeigten einen Energietransfer vom LHCII auf die QDs4. In Pro-
ben mit zusätzlichem Methylviologen konnte auÿerdem nachgewiesen werden, dass die
Ladungstrennung in den QDs durch den LHCII auf Grund des Energietransfers verstärkt
wird.
Darüber hinaus wurden mit den QDs Komplexe mit TDI aufgebaut, um zu untersu-
chen, inwiefern auch TDI als Energiedonor fungieren kann. In Folge der Bindung des TDIs
wurde aber nicht nur eine reduzierte Fluoreszenzintensität des potentiellen Energiedonors,
sondern auch eine Löschung der QD-Fluoreszenz beobachtet, welche auch bei selekti-
ver Anregung der QDs präsent war. Zusätzlich wurde nach selektiver Anregung der QDs
ein beschleunigter Zerfall der Fluoreszenz sowie eine zusätzliche Fluoreszenzzerfallskom-
ponente gefunden, wenn TDI anwesend war. Die Löschung und die Beschleunigung des
Fluoreszenzzerfalls verstärkten sich mit steigendem TDI-Gehalt. TDI ist als Energiedo-
nor für die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten CdTe/CdSe/ZnS-QDs nicht geeignet.
Die Fluoreszenzlöschung der QDs nach deren selektiver Anregung und die Beschleunigung
des Fluoreszenzzerfalls sprechen für eine Beteiligung des im Grundzustand vorliegenden
TDIs am für die Fluoreszenzlöschung zu Grunde liegenden Mechanismus, dessen Aufklä-
4Die Experimente zur Bindung an den LHCII und die spektroskopischen Untersuchungen der Komplexe
wurden von Dr. Mara Werwie (Arbeitsgruppe Prof. Paulsen, Johannes Gutenberg-Universität Mainz)
durchgeführt.
191
rung in Analogie zu den Untersuchungen der CdSe-PDI-Komplexe mit Hilfe transienter
Absorptionsspektroskopie denkbar wäre.
Die Arbeit zeigt den breiten Einsatzbereich anorganischer Nanopartikel und leistet einen
Beitrag zum Verständnis der elektronischen Wechselwirkungen mit in ihrer direkten Umge-
bung positionierten Molekülen. Auf Grund des einfachen Aufbaus der untersuchten Syste-
me bieten diese die Möglichkeit weiterer Untersuchungen im Hinblick auf die Wechselwir-
kung von Plasmonen mit Fluorophoren und der Elektronen- und Ladungstransfermechanis-
men organischer Farbstoe mit QDs. Ersteres ist hinsichtlich der Beeinussung spontaner
Emissionsraten von Fluorophoren von generellem Interesse, letzteres im Hinblick auf den
Einsatz von QDs in optoelektronischen Anwendungen.
192
Literatur
[1] M. Kohlhuber, Nanomaterialien in Lebensmitteln und Verbraucherprodukten, An-
wendungsbereiche, Analytik, rechtliche Rahmenbedingungen, Stand: September
2012, Bayer. Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit, Erlangen,
2012.
[2] J. Athinarayanan, V. S. Periasamy, M. A. Alsaif, A. A. Al-Warthan, A. A. Alshat-
wi, Presence of nanosilica (E551) in commercial food products: TNF-mediated
oxidative stress and altered cell cycle progression in human lung broblast cells,
Cell Biology and Toxicology 2014, 30, 89100.
[3] V. Mamaeva, C. Sahlgren, M. Linden, Mesoporous silica nanoparticles in medicine
recent advances, Advanced drug delivery reviews 2013, 65, Journal Article Re-
view, 689702.
[4] S. E. Lohse, C. J. Murphy, Applications of colloidal inorganic nanoparticles: from
medicine to energy, Journal of the American Chemical Society 2012, 134, 15607
15620.
[5] M.-K. Kwon, J.-Y. Kim, B.-H. Kim, I.-K. Park, C.-Y. Cho, C. C. Byeon, S.-J. Park,
Surface-Plasmon-Enhanced Light-Emitting Diodes, Advanced Materials 2008,
20, 12531257.
[6] J. M. Caruge, J. E. Halpert, V. Wood, V. Bulovi¢, M. G. Bawendi, Colloidal
quantum-dot light-emitting diodes with metal-oxide charge transport layers, Na-
ture Photonics 2008, 2, 247250.
[7] O. Chen, H. Wei, A. Maurice, M. Bawendi, P. Reiss, Pure colors from coreshell
quantum dots, MRS Bulletin 2013, 38, 696702.
[8] E. H. Sargent, Colloidal quantum dot solar cells, Nature Photonics 2012, 6,
133135.
[9] D. V. Talapin, J.-S. Lee, M. V. Kovalenko, E. V. Shevchenko, Prospects of colloi-
dal nanocrystals for electronic and optoelectronic applications, Chemical reviews
2010, 110, Journal Article, 389458.
[10] D. K. Kim, Y. Zhang, W. Voit, K. V. Rao, M. Muhammed, Synthesis and cha-
racterization of surfactant-coated superparamagnetic monodispersed iron oxide
nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2001, 225, 3036.
193
Literatur
[11] A. P. Alivisatos, Semiconductor Clusters, Nanocrystals and Quantum Dots, Science
1996, 271, 933937.
[12] L. Qu, Z. A. Peng, X. Peng, Alternative Routes toward High Quality CdSe Na-
nocrystals, Nano Letters 2001, 1, 333337.
[13] L. Brus, Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and
theory, The Journal of Physical Chemistry 1986, 90, 25552560.
[14] C. Sönnichsen, T. Franzl, T. Wilk, G. v. Plessen, J. Feldmann, Plasmon reso-
nances in large noble-metal clusters, New Journal of Physics 2002, 4, 93.193.8.
[15] S. Eustis, M. A. El-Sayed, Why gold nanoparticles are more precious than pretty
gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative
and nonradiative properties of nanocrystals of dierent shapes, Chem. Soc. Rev.
2006, 35, 209217.
[16] P. K. Jain, M. A. El-Sayed, Plasmonic coupling in noble metal nanostructures,
Chemical Physics Letters 2010, 487, 153164.
[17] Michael Faraday, The Bakerian Lecture: Experimental Relations of Gold (and
Other Metals) to Light, Philosophical Transactions of the Royal Society of London
1857, 147, 145181.
[18] M. V. Kovalenko, L. Manna, A. Cabot, Z. Hens, D. V. Talapin, C. R. Kagan, V. I.
Klimov, A. L. Rogach, P. Reiss, D. J. Milliron, P. Guyot-Sionnnest, G. Konstan-
tatos, W. J. Parak, T. Hyeon, B. A. Korgel, C. B. Murray, W. Heiss, Prospects
of nanoscience with nanocrystals, ACS Nano 2015, 9, 10121057.
[19] L. E. Brus, Electronelectron and electron-hole interactions in small semiconduc-
tor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state, The
Journal of Chemical Physics 1984, 80, 4403.
[20] H. Weller, U. Koch, M. Gutierrez, A. Henglein, Photochemistry of Colloidal Me-
tal Suldes. 7. Absorption and Fluorescence of Extremely Small ZnS Particles
(The World of the Neglected Dimensions), Berichte der Bunsengesellschaft für
physikalische Chemie 1984, 88, 649656.
[21] A. Fojtik, H. Weller, U. Koch, A. Henglein, Photo-Chemistry of Colloidal Metal
Suldes 8. Photo-Physics of Extremely Small CdS Particles, Q-State CdS and
Magic Agglomeration Numbers, Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische
Chemie 1984, 88, 969977.
[22] G. Frens, Controlled Nucleation for the Regulation of the Particle Size in Mon-
odisperse Gold Solutions, Nature Physical Science 1973, 241, 2022.
[23] J. Rodríguez-Fernández, J. Pérez-Juste, F. J. García de Abajo, L. M. Liz-Marzán,
Seeded Growth of Submicron Au Colloids with Quadrupole Plasmon Resonance
Modes, Langmuir 2006, 22, 70077010.
194
Literatur
[24] J. Chang, E. R. Waclawik, Colloidal semiconductor nanocrystals: controlled syn-
thesis and surface chemistry in organic media, RSC Advances 2014, 4, 23505.
[25] Z. A. Peng, X. Peng, Formation of High-Quality CdTe, CdSe, and CdS Nanocry-
stals Using CdO as Precursor, Journal of the American Chemical Society 2001,
123, 183184.
[26] J. E. Millstone, G. S. Métraux, C. A. Mirkin, Controlling the Edge Length of
Gold Nanoprisms via a Seed-Mediated Approach, Advanced Functional Materials
2006, 16.
[27] T. H. Ha, H.-J. Koo, B. H. Chung, Shape-Controlled Syntheses of Gold Nano-
prisms and Nanorods Inuenced by Specic Adsorption of Halide Ions, The Journal
of Physical Chemistry C 2007, 111, 11231130.
[28] J. Zhang, C. Xi, C. Feng, H. Xia, D. Wang, X. Tao, High Yield Seedless Synthesis
of High-Quality Gold Nanocrystals with Various Shapes, Langmuir 2014, 2480
2489.
[29] K. Saha, S. S. Agasti, C. Kim, X. Li, V. M. Rotello, Gold Nanoparticles in Che-
mical and Biological Sensing, Chemical Reviews 2012, 112, 27392779.
[30] G. Zhang, Functional gold nanoparticles for sensing applications, Nanotechnolo-
gy Reviews 2013, 2, 269288.
[31] S. Andreescu, L. A. Luck, Studies of the binding and signaling of surface-immobilized
periplasmic glucose receptors on gold nanoparticles: A glucose biosensor applica-
tion, Analytical Biochemistry 2008, 375, 282290.
[32] L. A. Luck, M. J. Moravan, J. E. Garland, B. Salopek-Sondi, D. Roy, Chemisorp-
tions of bacterial receptors for hydrophobic amino acids and sugars on gold for
biosensor applications: a surface plasmon resonance study of genetically enginee-
red proteins, Biosensors and Bioelectronics 2003, 19, 249259.
[33] C.-S. Tsai, T.-B. Yu, C.-T. Chen, Gold nanoparticle-based competitive colorime-
tric assay for detection of proteinprotein interactions, Chemical Communications
2005, 4273.
[34] M. Li, S. K. Cushing, N. Wu, Plasmon-enhanced optical sensors: a review, The
Analyst 2015, 140, 386406.
[35] H. M. Lee, S. M. Jin, H. M. Kim, Y. D. Suh, Single-molecule surface-enhanced
Raman spectroscopy: a perspective on the current status, Physical Chemistry
Chemical Physics 2013, 15, 5276.
195
Literatur
[36] K. L. Wustholz, A.-I. Henry, J. M. McMahon, R. G. Freeman, N. Valley, M. E.
Piotti, M. J. Natan, G. C. Schatz, R. P. van Duyne, Structure Activity Rela-
tionships in Gold Nanoparticle Dimers and Trimers for Surface-Enhanced Raman
Spectroscopy, Journal of the American Chemical Society 2010, 132, 10903
10910.
[37] D.-K. Lim, K.-S. Jeon, H. M. Kim, J.-M. Nam, Y. D. Suh, Nanogap-engineerable
Raman-active nanodumbbells for single-molecule detection, Nature Materials 2010,
9, 6067.
[38] A. Bek, R. Jansen, M. Ringler, S. Mayilo, T. A. Klar, J. Feldmann, Fluorescence
enhancement in hot spots of AFM-designed gold nanoparticle sandwiches, Nano
Letters 2008, 8, 485490.
[39] S. Bidault, A. Devilez, V. Maillard, L. Lermusiaux, J.-M. Guigner, N. Bonod, J.
Wenger, Picosecond Lifetimes with High Quantum Yields from Single-Photon-
Emitting Colloidal Nanostructures at Room Temperature, ACS Nano 2016.
[40] B. Fu, J. D. Flynn, B. P. Isaaco, D. J. Rowland, J. S. Biteen, Super-Resolving the
Distance-Dependent Plasmon-Enhanced Fluorescence of Single Dye and Fluore-
scent Protein Molecules, The Journal of Physical Chemistry C 2015, 119, 19350
19358.
[41] H. Yuan, S. Khatua, P. Zijlstra, M. Yorulmaz, M. Orrit, Thousand-fold enhan-
cement of single-molecule uorescence near a single gold nanorod, Angewandte
Chemie (International Ed.) 2013, 52, 12171221.
[42] A. Kinkhabwala, Z. Yu, S. Fan, Y. Avlasevich, K. Müllen, W. E. Moerner, Large
single-molecule uorescence enhancements produced by a bowtie nanoantenna,
Nature Photonics 2009, 3, 654657.
[43] C. R. Kagan, E. Lifshitz, E. H. Sargent, D. V. Talapin, Building devices from
colloidal quantum dots, Science 2016, 353, aac5523 19.
[44] X. Dai, Z. Zhang, Y. Jin, Y. Niu, H. Cao, X. Liang, L. Chen, J. Wang, X. Peng,
Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum
dots, Nature 2014, 515, 9699.
[45] J. Albero, P. Riente, J. N. Cliord, M. A. Pericàs, E. Palomares, Improving CdSe
Quantum Dot/Polymer Solar Cell Eciency Through the Covalent Functionaliza-
tion of Quantum Dots: Implications in the Device Recombination Kinetics, The
Journal of Physical Chemistry C 2013, 117, 1337413381.
[46] I. L. Medintz, H. Mattoussi, Quantum dot-based resonance energy transfer and
its growing application in biology, Physical Chemistry Chemical Physics 2008, 11,
17.
[47] K. Bourzac, Quantum dots go on display, Nature 2013, 493, 283.
196
Literatur
[48] A. I. Ekimov, Al. L. Efros, A. A. Onushchenko, Quantum Size Eects in Semi-
conductor Microcrystals, Solid State Communications 1985, 56, 921924.
[49] A. L. Efros, A. L. Efros, Interband absorption of light in a semiconductor sphere,
Sov. Phys. Semicond. 1982, 16.
[50] R. Rossetti, S. Nakahara, L. E. Brus, Quantum size eects in the redox potentials,
resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous
solution, The Journal of Chemical Physics 1983, 79, 1086.
[51] A. J. Nozik, Multiple exciton generation in semiconductor quantum dots, Che-
mical Physics Letters 2008, 457, 311.
[52] F. A. Damtie, K. J. Karki, T. Pullerits, A. Wacker, Optimization schemes for
ecient multiple exciton generation and extraction in colloidal quantum dots,
The Journal of Chemical Physics 2016, 145, 64703.
[53] Z.-J. Jiang, D. F. Kelley, Hot and Relaxed Electron Transfer from the CdSe
Core and Core/Shell Nanorods, The Journal of Physical Chemistry C 2011, 115,
45944602.
[54] William A. Tisdale, Kenrick J. Williams, Brooke A. Timp, David J. Norris, Eray
S. Aydil, X.-Y. Zhu, Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals,
Science 2010, 328, 15431547.
[55] C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, Synthesis and characterization of
nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nano-
crystallites, Journal of the American Chemical Society 1993, 115, 87068715.
[56] B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi,
R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi, (CdSe)ZnS Core Shell Quantum Dots:
Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocry-
stallites, The Journal of Physical Chemistry B 1997, 101, 94639475.
[57] M. A. Hines, P. Guyot-Sionnest, Synthesis and Characterization of Strongly Lu-
minescing ZnS-Capped CdSe Nanocrystals, The Journal of Physical Chemistry
1996, 100, 468471.
[58] M. T. Frederick, E. A. Weiss, Relaxation of Exciton Connement in CdSe Quan-
tum Dots by Modication with a Conjugated Dithiocarbamate Ligand, ACS Nano
2010, 4, 31953200.
[59] M. T. Frederick, V. A. Amin, N. K. Swenson, A. Y. Ho, E. A. Weiss, Control
of Exciton Connement in Quantum DotOrganic Complexes through Energetic
Alignment of Interfacial Orbitals, Nano Letters 2013, 13, 287292.
[60] K. Schmidt, C. Fufezan, A. Krieger-Liszkay, H. Satoh, H. Paulsen, Recombi-
nant Water-Soluble Chlorophyll Protein from Brassica oleracea Var. Botrys Binds
Various Chlorophyll Derivatives y, Biochemistry 2003, 42, 74277433.
197
Literatur
[61] D. Horigome, H. Satoh, N. Itoh, K. Mitsunaga, I. Oonishi, A. Nakagawa, A.
Uchida, Structural Mechanism and Photoprotective Function of Water-soluble
Chlorophyll-binding Protein, Journal of Biological Chemistry 2006, 282, 6525
6531.
[62] T. Ren, P. K. Mandal, W. Erker, Z. Liu, Y. Avlasevich, L. Puhl, K. Müllen, T.
Basché, A Simple and Versatile Route to Stable Quantum Dot Dye Hybrids in
Nonaqueous and Aqueous Solutions, Journal of the American Chemical Society
2008, 130, 1724217243.
[63] Ting Ren, Dissertation, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, 2010.
[64] M. Werwie, X. Xu, M. Haase, T. Basché, H. Paulsen, Bio serves nano: biolo-
gical light-harvesting complex as energy donor for semiconductor quantum dots,
Langmuir 2012, 28, 58105818.
[65] M. L. Brongersma, P. G. Kik, Surface Plasmon Nanophotonics, Springer, Dordrecht,
2007.
[66] L. Novotny, B. Hecht, Principles of Nano-Optics, Cambridge University Press,
New York, 2006.
[67] http://www.horiba.com/uk/scientific/products/surface- plasmon-
resonance-imaging-spri/faqs/what-is-a-plasmon/.
[68] K. A. Willets, R. P. van Duyne, Localized Surface Plasmon Resonance Spectros-
copy and Sensing, Annual Review of Physical Chemistry 2007, 58, 267297.
[69] S. A. MAIER, Plasmonics: Fundamentals and Applications, Springer, New York,
2007.
[70] P. B. Johnson, R.W. Christy, Optical Constants of the noble metals, Physical
Review B 1972, 6, 43704379.
[71] M. V. Uwe Kreibig, Optical Properties of Metal Clusters, 1. Au., Springer-Verlag,
Berlin-Heidelberg, 1995.
[72] G. Mie, Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen,
Annalen der Physik 1908, 4, 377445.
[73] C. F. Bohren, D. R. Human, Absorption and Scattering of Light by Small Par-
ticles, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004.
[74] V. Myroshnychenko, J. Rodríguez-Fernández, I. Pastoriza-Santos, A. M. Funston,
C. Novo, P. Mulvaney, L. M. Liz-Marzán, F. J. García de Abajo, Modelling the
optical response of gold nanoparticles, Chemical Society Reviews 2008, 37, 1792.
[75] S. Link, M. A. El-Sayed, Shape and size dependence of radiative, non-radiative and
photothermal properties of gold nanocrystals, Int. Reviews in Physical Chemistry
2000, 19, 409453.
198
Literatur
[76] R. Lévy, N. T. K. Thanh, R. C. Doty, I. Hussain, R. J. Nichols, D. J. Schirin,
M. Brust, D. G. Fernig, Rational and Combinatorial Design of Peptide Capping
Ligands for Gold Nanoparticles, Journal of the American Chemical Society 2004,
126, 1007610084.
[77] J. J. Storho, A. A. Lazarides, R. C. Mucic, C. A. Mirkin, R. L. Letsinger, G. C.
Schatz, What Controls the Optical Properties of DNA-Linked Gold Nanoparticle
Assemblies?, Journal of the American Chemical Society 2000, 122, 46404650.
[78] M. Li, S. Johnson, H. Guo, E. Dujardin, S. Mann, A Generalized Mechanism
for Ligand-Induced Dipolar Assembly of Plasmonic Gold Nanoparticle Chain Net-
works, Advanced Functional Materials 2011, 21, 851859.
[79] P. K. Jain, W. Huang, M. A. El-Sayed, On the Universal Scaling Behavior of
the Distance Decay of Plasmon Coupling in Metal Nanoparticle Pairs: A Plasmon
Ruler Equation, Nano Letters 2007, 7, 20802088.
[80] S. E. Lee, Q. Chen, R. Bhat, S. Petkiewicz, J. M. Smith, V. E. Ferry, A. L.
Correia, A. P. Alivisatos, M. J. Bissell, Reversible Aptamer-Au Plasmon Rulers
for Secreted Single Molecules, Nano Letters 2015, 15, 45644570.
[81] A. I. Dolinnyi, Nanometric Rulers Based on Plasmon Coupling in Pairs of Gold
Nanoparticles, The Journal of Physical Chemistry C 2015, 119, 49905001.
[82] J. M. McMahon, A.-I. Henry, K. L. Wustholz, M. J. Natan, R. G. Freeman, R. P.
van Duyne, G. C. Schatz, Gold nanoparticle dimer plasmonics: nite element me-
thod calculations of the electromagnetic enhancement to surface-enhanced Raman
spectroscopy, Analytical and Bioanalytical Chemistry 2009, 394, 18191825.
[83] P. Nordlander, C. Oubre, E. Prodan, K. Li, M. I. Stockman, Plasmon Hybridization
in Nanoparticle Dimers, Nano Letters 2004, 4, 899903.
[84] N. Zohar, L. Chuntonov, G. Haran, The simplest plasmonic molecules, Metal
nanoparticle dimers and trimers, Journal of Photochemistry and Photobiology C:
Photochemistry Reviews 2014, 21, 2639.
[85] H. Xu, E. J. Bjerneld, M. Käll, L. Börjesson, Spectroscopy of Single Hemoglobin
Molecules by Surface Enhanced Raman Scattering, Physical Review Letters 1999,
83, 43574360.
[86] A. B. Zrimsek, A.-I. Henry, R. P. van Duyne, Single Molecule Surface-Enhanced
Raman Spectroscopy without Nanogaps, The Journal of Physical Chemistry Let-
ters 2013, 4, 32063210.
[87] J. E. Millstone, S. J. Hurst, G. S. Métraux, J. I. Cutler, C. A. Mirkin, Colloidal
Gold and Silver Triangular Nanoprisms, Small 2009, 5, 646664.
199
Literatur
[88] C. Sönnichsen, T. Franzl, T. Wilk, G. v. Plessen, J. Feldmann, O. Wilson, P.
Mulvaney, Drastic Reduction of Plasmon Damping in Gold Nanorods, Physical
Review Letters 2002, 88, 077402 14.
[89] S. Nie, S. R. Emory, Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-
Enhanced Raman Scattering, Science 1997, 275, 11021106.
[90] P. Bharadwaj, L. Novotny, Spectral dependence of single molecule uorescence
enhancement, Optics Express 2007, 15, 1426614274.
[91] P. Anger, P. Bharadwaj, L. Novotny, Enhancement and Quenching of Single-
Molecule Fluorescence, Physical Review Letters 2006, 96, 113002 14.
[92] S. Pal, P. Dutta, H. Wang, Z. Deng, S. Zou, H. Yan, Y. Liu, Quantum Eciency
Modication of Organic Fluorophores Using Gold Nanoparticles on DNA Origami
Scaolds, The Journal of Physical Chemistry C 2013, 117, 1273512744.
[93] J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, M. L. Brongersma,
Plasmonics for extreme light concentration and manipulation, Nature Materials
2010, 9, Journal Article, 193204.
[94] T. Sen, A. Patra, Resonance Energy Transfer from Rhodamine 6G to Gold Na-
noparticles by Steady-State and Time-Resolved Spectroscopy, The Journal of
Physical Chemistry C 2008, 112, 32163222.
[95] T. Zhang, N. Gao, S. Li, M. J. Lang, Q. H. Xu, Single-Particle Spectroscopic
Study on Fluorescence Enhancement by Plasmon Coupled Gold Nanorod Dimers
Assembled on DNA Origami, The Journal of Physical Chemistry Letters 2015,
6, 20432049.
[96] . Bujak, N. Czechowski, D. Piatkowski, R. Litvin, S. Mackowski, T. H. P. Bro-
tosudarmo, R. J. Cogdell, S. Pichler, W. Heiss, Fluorescence enhancement of
light-harvesting complex 2 from purple bacteria coupled to spherical gold nano-
particles, Applied Physics Letters 2011, 99, 173701 13.
[97] M. Ringler, A. Schwemer, M. Wunderlich, A. Nichtl, K. Kürzinger, T. A. Klar,
J. Feldmann, Shaping Emission Spectra of Fluorescent Molecules with Single
Plasmonic Nanoresonators, Physical Review Letters 2008, 100, DOI 10.1103/
PhysRevLett.100.203002.
[98] Y.-w. Jun, J.-s. Choi, J. Cheon, Formkontrolle von Halbleiter- und Metalloxid-
Nanokristallen durch nichthydrolytische Kolloidverfahren, Angewandte Chemie 2006,
118, 34923517.
[99] S. Kumar, T. Nann, Shape Control of IIVI Semiconductor Nanomaterials, Small
2006, 2, 316329.
[100] Y. Yin, A. P. Alivisatos, Colloidal nanocrystal synthesis and the organicinorganic
interface, Nature 2005, 437, 664670.
200
Literatur
[101] C. d. M. Donegá, Synthesis and properties of colloidal heteronanocrystals, Chem.
Soc. Rev. 2011, 40, 15121546.
[102] A. J. Morris-Cohen, M. Malicki, M. D. Peterson, J. W. J. Slavin, E. A. Weiss,
Chemical, Structural, and Quantitative Analysis of the Ligand Shells of Colloidal
Quantum Dots, Chemistry of Materials 2013, 25, 11551165.
[103] V. I. Klimov, Spectral and dynamical properties of multiexcitons in semiconductor
nanocrystals, Annual Review of Physical Chemistry 2007, 58, 635673.
[104] W. R. Algar, A. J. Tavares, U. J. Krull, Beyond labels: A review of the application
of quantum dots as integrated components of assays, bioprobes, and biosensors
utilizing optical transduction, Analytica Chimica Acta 2010, 673, 125.
[105] A. R. Clapp, I. L. Medintz, H. Mattoussi, Förster Resonance Energy Transfer
Investigations Using Quantum-Dot Fluorophores, ChemPhysChem 2006, 7, 47
57.
[106] H. Zhu, Y. Yang, K. Wu, T. Lian, Charge Transfer Dynamics from Photoexcited
Semiconductor Quantum Dots, Annual Review of Physical Chemistry 2016, 67,
259281.
[107] P. Reiss, M. Protière, L. Li, Core/Shell Semiconductor Nanocrystals, Small
2009, 5, 154168.
[108] A. P. Alivisatos, Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Na-
nocrystals, J. Phys. Chem 1996, 100, 132613239.
[109] A. L. Rogach, Semiconductor Nanocrystal Quantum Dots, Synthesis, Assembly,
Spectroscopy and Applications, 1. Au., Springer-Verlag, Wien, 2008.
[110] Anne-Kathrin Boos, Dissertation, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz,
2014.
[111] W. W. Yu, L. Qu, W. Guo, X. Peng, Experimental Determination of the Extinction
Coecient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals, Chemistry of Materials 2003,
15, 28542860.
[112] Z. A. Peng, X. Peng, Mechanisms of the Shape Evolution of CdSe Nanocrystals,
Journal of the American Chemical Society 2001, 123, 13891395.
[113] X. Peng, L. Manna, W. Yang, J. Wickham, E. Scher, A. Kadavanich, A. P. Alivi-
satos, Shape control of CdSe nanocrystals, Nature 2000, 404, 5961.
[114] L. Manna, E. C. Scher, A. P. Alivisatos, Synthesis of Soluble and Processable
Rod-, Arrow-, Teardrop-, and Tetrapod-Shaped CdSe Nanocrystals, Journal of
the American Chemical Society 2000, 122, 1270012706.
[115] I. Fedin, D. V. Talapin, Colloidal CdSe Quantum Rings, Journal of the American
Chemical Society 2016, 138, 97719774.
201
Literatur
[116] Y. Gao, X. Peng, Crystal Structure Control of CdSe Nanocrystals in Growth and
Nucleation: Dominating Eects of Surface versus Interior Structure, Journal of
the American Chemical Society 2014, 136, 67246732.
[117] M. D. Peterson, L. C. Cass, R. D. Harris, K. Edme, K. Sung, E. A. Weiss, The
Role of Ligands in Determining the Exciton Relaxation Dynamics in Semiconductor
Quantum Dots, Annual Review of Physical Chemistry 2014, 65, 317339.
[118] K. Susumu, H. T. Uyeda, I. L. Medintz, T. Pons, J. B. Delehanty, H. Mattoussi,
Enhancing the Stability and Biological Functionalities of Quantum Dots via Com-
pact Multifunctional Ligands, Journal of the American Chemical Society 2007,
129, 1398713996.
[119] N. Zhan, G. Palui, M. Sa, X. Ji, H. Mattoussi, Multidentate Zwitterionic Li-
gands Provide Compact and Highly Biocompatible Quantum Dots, Journal of the
American Chemical Society 2013, 135, 1378613795.
[120] E. Giovanelli, E. Muro, G. Sitbon, M. Hana, T. Pons, B. Dubertret, N. Lequeux,
Highly Enhanced Anity of Multidentate versus Bidentate Zwitterionic Ligands
for Long-Term Quantum Dot Bioimaging, Langmuir 2012, 28, 1517715184.
[121] J. Aldana, Y. A. Wang, X. Peng, Photochemical Instability of CdSe Nanocrystals
Coated by Hydrophilic Thiols, Journal of the American Chemical Society 2001,
123, 88448850.
[122] R. Koole, P. Schapotschnikow, C. d. Mello Donegá, T. J. H. Vlugt, A. Meijerink,
Time-Dependent Photoluminescence Spectroscopy as a Tool to Measure the Li-
gand Exchange Kinetics on a Quantum Dot Surface, ACS Nano 2008, 2, 1703
1714.
[123] R. Xie, U. Kolb, J. Li, T. Basché, A. Mews, Synthesis and characterization of high-
ly luminescent CdSe-core CdS/Zn0.5Cd0.5S/ZnS multishell nanocrystals, Journal
of the American Chemical Society 2005, 127, 74807488.
[124] A. J. Morris-Cohen, M. D. Donakowski, K. E. Knowles, E. A. Weiss, The Eect
of a Common Purication Procedure on the Chemical Composition of the Surfaces
of CdSe Quantum Dots Synthesized with Trioctylphosphine Oxide, The Journal
of Physical Chemistry C 2010, 114, 897906.
[125] E. A. McArthur, A. J. Morris-Cohen, K. E. Knowles, E. A. Weiss, Charge Carrier
Resolved Relaxation of the First Excitonic State in CdSe Quantum Dots Probed
with Near-Infrared Transient Absorption Spectroscopy y, The Journal of Physical
Chemistry B 2010, 114, 1451414520.
202
Literatur
[126] D. V. Talapin, A. L. Rogach, A. Kornowski, M. Haase, H. Weller, Highly Lumi-
nescent Monodisperse CdSe and CdSe/ZnS Nanocrystals Synthesized in a Hexa-
decylamine   Trioctylphosphine Oxide   Trioctylphospine Mixture, Nano Letters
2001, 1, 207211.
[127] S. F. Wuister, C. d. Mello Donegá, A. Meijerink, Inuence of Thiol Capping on
the Exciton Luminescence and Decay Kinetics of CdTe and CdSe Quantum Dots,
The Journal of Physical Chemistry B 2004, 108, 1739317397.
[128] S. Pathak, S.-K. Choi, N. Arnheim, M. E. Thompson, Hydroxylated Quantum
Dots as Luminescent Probes for in Situ Hybridization, Journal of the American
Chemical Society 2001, 123, 41034104.
[129] S. M. Goodman, A. Siu, V. Singh, P. Nagpal, Long-range energy transfer in
self-assembled quantum dot-DNA cascades, Nanoscale 2015, 7, 1843518440.
[130] P. Yang, C. L. Li, N. Murase, Highly photoluminescent multilayer QD-glass lms
prepared by LbL self-assembly, Langmuir 2005, 21, 89138917.
[131] S. Stöttinger, G. Hinze, G. Diezemann, I. Oesterling, K. Múllen, T. Basché, Im-
pact of local compressive stress on the optical transitions of single organic dye
molecules, Nature Nanotechnology 2014, 9, 182186.
[132] J. J. Li, Y. A. Wang, W. Guo, J. C. Keay, T. D. Mishima, M. B. Johnson,
X. Peng, Large-Scale Synthesis of Nearly Monodisperse CdSe/CdS Core/Shell
Nanocrystals Using Air-Stable Reagents via Successive Ion Layer Adsorption and
Reaction, Journal of the American Chemical Society 2003, 125, 1256712575.
[133] R. Xie, U. Kolb, T. Basché, Design and Synthesis of Colloidal Nanocrystal Hete-
rostructures with Tetrapod Morphology, Small 2006, 2, 14541457.
[134] W. Zhang, G. Chen, J. Wang, B.-C. Ye, X. Zhong, Design and synthesis of highly
luminescent near-infrared-emitting water-soluble CdTe/CdSe/ZnS core/shell/shell
quantum dots, Inorganic Chemistry 2009, 48, 97239731.
[135] P. Brown, P. V. Kamat, Quantum dot solar cells. Electrophoretic deposition of
CdSe-C60 composite lms and capture of photogenerated electrons with nC60
cluster shell, Journal of the American Chemical Society 2008, 130, 88908891.
[136] A. Nozik, Quantum dot solar cells, Physica E: Low-dimensional Systems and
Nanostructures 2002, 14, 115120.
[137] I. L. Medintz, A. R. Clapp, H. Mattoussi, E. R. Goldman, B. Fisher, J. M. Mau-
ro, Self-assembled nanoscale biosensors based on quantum dot FRET donors,
Nature Materials 2003, 2, 630638.
[138] S. Coe-Sullivan, Optoelectronics, Quantum dot developments, Nature Photonics
2009, 3, 315316.
203
Literatur
[139] Joseph R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3. Au., Springer,
2006.
[140] P. T. Snee, C. M. Tyrakowski, L. E. Page, A. Isovic, A. M. Jawaid, Quantify-
ing Quantum Dots through Förster Resonant Energy Transfer, The Journal of
Physical Chemistry C 2011, 115, 1957819582.
[141] L. Dworak, V. V. Matylitsky, T. Ren, T. Basché, J. Wachtveitl, Acceptor Con-
centration Dependence of Förster Resonance Energy Transfer Dynamics in Dye
Quantum Dot Complexes, The Journal of Physical Chemistry C 2014, 118, 4396
4402.
[142] S. Halivni, A. Sitt, I. Hadar, U. Banin, Eect of Nanoparticle Dimensionality on
Fluorescence Resonance Energy Transfer in NanoparticleDye Conjugated Sys-
tems, ACS Nano 2012, 6, 27582765.
[143] A. Samanta, S. A. Walper, K. Susumu, C. L. Dwyer, I. L. Medintz, An enzymatically-
sensitized sequential and concentric energy transfer relay self-assembled around
semiconductor quantum dots, Nanoscale 2015, 7, 76037614.
[144] T. Pons, I. L. Medintz, X. Wang, D. S. English, H. Mattoussi, Solution-Phase
Single Quantum Dot Fluorescence Resonance Energy Transfer, Journal of the
American Chemical Society 2006, 128, 1532415331.
[145] A. J. Morris-Cohen, M. T. Frederick, L. C. Cass, E. A. Weiss, Simultaneous
determination of the adsorption constant and the photoinduced electron transfer
rate for a CdS quantum dot-viologen complex, Journal of the American Chemical
Society 2011, 133, 1014610154.
[146] X. Ji, W. Wang, H. Mattoussi, Controlling the spectroscopic properties of quan-
tum dots via energy transfer and charge transfer interactions: Concepts and app-
lications, Nano Today 2016, 11, 98121.
[147] D. Kowerko, J. Schuster, N. Amecke, M. Abdel-Mottaleb, R. Dobrawa, F. Wür-
thner, C. v. Borczyskowski, FRET and ligand related NON-FRET processes in
single quantum dot-perylene bisimide assemblies, Physical Chemistry Chemical
Physics 2010, 12, 41124123.
[148] F. Gerlach, D. Täuber, C. v. Borczyskowski, Correlated blinking via time depen-
dent energy transfer in single CdSe quantum dot-dye nanoassemblies, Chemical
Physics Letters 2013, 572, 9095.
[149] T. Blaudeck, E. I. Zenkevich, M. Abdel-Mottaleb, K. Szwaykowska, D. Kower-
ko, F. Cichos, C. v. Borczyskowski, Formation Principles and Ligand Dynamics
of Nanoassemblies of CdSe Quantum Dots and Functionalised Dye Molecules,
ChemPhysChem 2012, 13, 959972.
204
Literatur
[150] A. R. Clapp, I. L. Medintz, B. R. Fisher, G. P. Anderson, H. Mattoussi, Can Lumi-
nescent Quantum Dots Be Ecient Energy Acceptors with Organic Dye Donors?,
Journal of the American Chemical Society 2005, 127, 12421250.
[151] H. Xu, X. Huang, W. Zhang, G. Chen, W. Zhu, X. Zhong, Quantum Dots Acting
as Energy Acceptors with Organic Dyes as Donors in Solution, ChemPhysChem
2010, 11, 31673171.
[152] R. D. Schaller, V. I. Klimov, High eciency carrier multiplication in PbSe nano-
crystals: implications for solar energy conversion, Physical Review Letters 2004,
92, 186601 14.
[153] C. He, D. J. Weinberg, A. B. Nepomnyashchii, S. Lian, E. A. Weiss, Control of
the Redox Activity of PbS Quantum Dots by Tuning Electrostatic Interactions at
the Quantum Dot/Solvent Interface, Journal of the American Chemical Society
2016, 138, 88478854.
[154] X. Ji, G. Palui, T. Avellini, H. B. Na, C. Yi, K. L. Knappenberger, H. Mattoussi,
On the pH-Dependent Quenching of Quantum Dot Photoluminescence by Redox
Active Dopamine, Journal of the American Chemical Society 2012, 60066017.
[155] J. Huang, K. L. Mulfort, P. Du, L. X. Chen, Photodriven Charge Separation
Dynamics in CdSe/ZnS Core/Shell Quantum Dot/Cobaloxime Hybrid for Ecient
Hydrogen Production, Journal of the American Chemical Society 2012, 134,
1647216475.
[156] A. Boulesbaa, Z. Huang, D. Wu, T. Lian, Competition between Energy and Elec-
tron Transfer from CdSe QDs to Adsorbed Rhodamine B, The Journal of Physical
Chemistry C 2010, 114, 962969.
[157] V. V. Matylitsky, L. Dworak, V. V. Breus, T. Basché, J. Wachtveitl, Ultrafast
Charge Separation in Multiexcited CdSe Quantum Dots Mediated by Adsorbed
Electron Acceptors, Journal of the American Chemical Society 2009, 131, 2424
2425.
[158] V. I. Klimov, D. W. McBranch, C. A. Leatherdale, M. G. Bawendi, Electron
and hole relaxation pathways in semiconductor quantum dots, Physical Review B
1999, 60, 1374013749.
[159] S. L. Sewall, R. R. Cooney, K. E. H. Anderson, E. A. Dias, P. Kambhampati,
State-to-state exciton dynamics in semiconductor quantum dots, Physical Re-
view B 2006, 74.
[160] P. Jing, W. Ji, X. Yuan, S. Qu, R. Xie, M. Ikezawa, J. Zhao, H. Li, Y. Masumoto,
Ultrafast Carrier Dynamics and Hot Electron Extraction in Tetrapod-Shaped CdSe
Nanocrystals, ACS applied materials & interfaces 2015, 7, 79387944.
205
Literatur
[161] P. Singhal, P. V. Ghorpade, G. S. Shankarling, N. Singhal, S. K. Jha, R. M.
Tripathi, H. N. Ghosh, Exciton delocalization and hot hole extraction in CdSe
QDs and CdSe/ZnS type 1 core shell QDs sensitized with newly synthesized thiols,
Nanoscale 2016, 8, 18231833.
[162] K. E. Knowles, M. Malicki, R. Parameswaran, L. C. Cass, E. A. Weiss, Sponta-
neous multielectron transfer from the surfaces of PbS quantum dots to tetracya-
noquinodimethane, Journal of the American Chemical Society 2013, 135, 7264
7271.
[163] S. Dayal, C. Burda, Surface Eects on Quantum Dot-Based Energy Transfer,
Journal of the American Chemical Society 2007, 129, 79777981.
[164] D. Geiÿler, S. Linden, K. Liermann, K. D. Wegner, L. J. Charbonnière, N. Hil-
debrandt, Lanthanides and Quantum Dots as Förster Resonance Energy Trans-
fer Agents for Diagnostics and Cellular Imaging, Inorganic Chemistry 2014, 53,
18241838.
[165] M. Hardzei, M. Artemyev, M. Molinari, M. Troyon, A. Sukhanova, I. Nabiev, Com-
parative Eciency of Energy Transfer from CdSe-ZnS Quantum Dots or Nanorods
to Organic Dye Molecules, ChemPhysChem 2012, 13, 330335.
[166] R. Berera, R. van Grondelle, J. T. M. Kennis, Ultrafast transient absorption spec-
troscopy: principles and application to photosynthetic systems, Photosynthesis
research 2009, 101, 105118.
[167] S. Kumar, J. Aaron, K. Sokolov, Directional conjugation of antibodies to nano-
particles for synthesis of multiplexed optical contrast agents with both delivery and
targeting moieties, Nature Protocols 2008, 3, 314320.
[168] N. G. Bastus, J. Comenge, V. Puntes, Kinetically controlled seeded growth syn-
thesis of citrate-stabilized gold nanoparticles of up to 200 nm: size focusing versus
Ostwald ripening, Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids 2011, 27,
1109811105.
[169] W. Haiss, N. T. K. Thanh, J. Aveyard, D. G. Fernig, Determination of Size and
Concentration of Gold Nanoparticles from UV Vis Spectra, Analytical Chemistry
2007, 79, 42154221.
[170] W. P. Davey, Precision Measurements of the Lattice Constants of Twelve Com-
mon Metals, Phys. Rev. 1925, 25, 753.
[171] M. Haase, Dissertation, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, 2010.
[172] D. Punj, M. Mivelle, S. B. Moparthi, T. S. van Zanten, H. Rigneault, N. F. van
Hulst, M. F. Garcia-Parajo, J. Wenger, A plasmonic 'antenna-in-box' platform
for enhanced single-molecule analysis at micromolar concentrations, Nature na-
notechnology 2013, 8, 512516.
206
Literatur
[173] E. Wientjes, J. Renger, R. Cogdell, N. F. van Hulst, Pushing the Photon Limit:
Nanoantennas Increase Maximal Photon Stream and Total Photon Number, The
Journal of Physical Chemistry Letters 2016, 7, 16041609.
[174] S. Bidault, A. Devilez, P. Ghenuche, B. Stout, N. Bonod, J. Wenger, Compe-
tition between Förster Resonance Energy Transfer and Donor Photodynamics in
Plasmonic Dimer Nanoantennas, ACS Photonics 2016, 3, 895903.
[175] M. P. Busson, B. Rolly, B. Stout, N. Bonod, J. Wenger, S. Bidault, Photonic
engineering of hybrid metal-organic chromophores, Angewandte Chemie (Interna-
tional Ed.) 2012, 51, 1108311087.
[176] G. Renger, J. Pieper, C. Theiss, I. Trostmann, H. Paulsen, T. Renger, H. Eichler,
F.-J. Schmitt, Water soluble chlorophyll binding protein of higher plants: A most
suitable model system for basic analyses of pigmentpigment and pigmentprotein
interactions in chlorophyll protein complexes, Journal of Plant Physiology 2011,
168, 14621472.
[177] Inga Bektas, Dissertation, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, 2010.
[178] D. Bednarczyk, O. Dym, V. Prabahar, Y. Peleg, D. H. Pike, D. Noy, Fine Tuning
of Chlorophyll Spectra by Protein-Induced Ring Deformation, Angewandte Chemie
(International Ed.) 2016, 55, 69016905.
[179] H. Satoh, A. Uchid, K. Nakayama, M. Okada, Water-Soluble Chlorophyll Protein
in Brassicaceae Plants is a Stress-Induced Chlorophyll-Binding Protein, Plant Cell
Physiolog. 2001, 9, 906911.
[180] Fabian Jung, Persönliche Mitteilung, Mainz.
[181] T. Schumacher, Dissertation, Universität Bayreuth, Bayreuth, 2014.
[182] F. Aldeek, M. Sa, N. Zhan, G. Palui, H. Mattoussi, Understanding the Self-
Assembly of Proteins onto Gold Nanoparticles and Quantum Dots Driven by Metal-
Histidine Coordination, ACS Nano 2013, 1019710210.
[183] B. Michen, C. Geers, D. Vanhecke, C. Endes, B. Rothen-Rutishauser, S. Balog,
A. Petri-Fink, Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Cha-
racterizing the size and colloidal state of nanoparticles, Scientic Reports 2015,
5, 9793.
[184] V. Chegel, O. Rachkov, A. Lopatynskyi, S. Ishihara, I. Yanchuk, Y. Nemoto, J. P.
Hill, K. Ariga, Gold Nanoparticles Aggregation: Drastic Eect of Cooperative
Functionalities in a Single Molecular Conjugate, The Journal of Physical Che-
mistry C 2012, 116, 26832690.
[185] T. Kim, K. Lee, M.-s. Gong, S.-W. Joo, Control of Gold Nanoparticle Aggregates
by Manipulation of Interparticle Interaction, Langmuir 2005, 21, 95249528.
207
Literatur
[186] H. Xie, A. G. Tkachenko, W. R. Glomm, J. A. Ryan, M. K. Brennaman, J. M.
Papanikolas, S. Franzen, D. L. Feldheim, Critical occulation concentrations,
binding isotherms, and ligand exchange properties of peptide-modied gold na-
noparticles studied by UV-visible, uorescence, and time-correlated single photon
counting spectroscopies, Analytical Chemistry 2003, 75, 57975805.
[187] M. Held, Masterarbeit, Universität Heidelberg, Heidelberg, 2016.
[188] M. Ringler, T. A. Klar, A. Schwemer, A. S. Susha, J. Stehr, G. Raschke, S.
Funk, M. Borowski, A. Nichtl, K. Kürzinger, R. T. Phillips, J. Feldmann, Moving
Nanoparticles with Raman Scattering, Nano Letters 2007, 7, 27532757.
[189] X. Zhou, Y. Wang, L. Zhong, S. Bao, Y. Han, L. Ren, Q. Zhang, Rational design
of oriented assembly of gold nanospheres with nanorods by biotin-streptavidin
connectors, Nanoscale 2012, 4, 62566259.
[190] V. B. Zon, M. Sachsenhauser, U. Rant, Preparation of gold nanoparticle dimers
via streptavidin-induced interlinking, Journal of Nanoparticle Research 2013, 15.
[191] S. Mann, W. Shenton, M. Li, S. Connolly, D. Fitzmaurice, Biologically Program-
med Nanoparticle Assembly, Advanced Materials 2000, 12, 147150.
[192] P. C. Weber, D. H. Ohlendorf, J. J. Wendoloski, F. R. Salemme, Structural
Origins of High-Anity Biotin Binding to Streptavidin, Science 1989, 243, 85
88.
[193] L. Deng, E. N. Kitova, J. S. Klassen, Dissociation kinetics of the streptavidin-
biotin interaction measured using direct electrospray ionization mass spectrometry
analysis, Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2013, 24, 49
56.
[194] R. C. Ebersole, J. A. Miller, J. R. Moran, M. D. Ward, Spontaneously Formed
Functionally Active Avidin Monolayers on Metal Surfaces: A Strategy for Immobi-
lizing Biological Reagents and Design of Piezoelectric Biosensors, Journal of the
American Chemical Society 1990, 112, 32393241.
[195] P. M. Wolny, J. P. Spatz, R. P. Richter, On the adsorption behavior of biotin-
binding proteins on gold and silica, Langmuir 2010, 26, 10291034.
[196] Product Information STREPTAVIDIN from Streptomyces avidinii, Sigma-Aldrich,
Inc.
[197] M. Geneviève, C. Vieu, R. Carles, A. Zwick, G. Brière, L. Salomé, E. Trévisiol,
Biofunctionalization of gold nanoparticles and their spectral properties, Micro-
electronic Engineering 2007, 84, 17101713.
[198] Y. Niu, Y. Zhao, A. Fan, Conformational Switching Immobilized Hairpin DNA
Probes Following Subsequent Expanding of Gold Nanoparticles Enables Visual De-
tecting Sequence-specic DNA, Analytical Chemistry 2011, 83, 75007506.
208
Literatur
[199] P. Wang, Y. Song, Y. Zhao, A. Fan, Hydroxylamine amplied gold nanoparticle-
based aptameric system for the highly selective and sensitive detection of platelet-
derived growth factor, Talanta 2013, 103, 392397.
[200] S. Lim, O. K. Koo, Y. S. You, Y. E. Lee, M.-S. Kim, P.-S. Chang, D. H. Kang, J.-H.
Yu, Y. J. Choi, S. Gunasekaran, Enhancing nanoparticle-based visible detection
by controlling the extent of aggregation, Scientic Reports 2012, 2, 456.
[201] B. Olander, Adsorption of Proteins to Gold Nanoparticles- Tech Note 102, (Hrsg.:
Cytodiagnostics Inc.), 2016.
[202] Thermo Scientic, Instuctions EZ-Link NHS-Biotin Reagents, 2016.
[203] M. Ringler, Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München, München, 2008.
[204] H. Hakkinen, The gold-sulfur interface at the nanoscale, Nature chemistry 2012,
4, 443455.
[205] Y. Xue, X. Li, H. Li, W. Zhang, Quantifying thiol-gold interactions towards the
ecient strength control, Nature communications 2014, 5, 19.
[206] W.-S. Cho, M. Cho, J. Jeong, M. Choi, B. S. Han, H.-S. Shin, J. Hong, B. H.
Chung, J. Jeong, M.-H. Cho, Size-dependent tissue kinetics of PEG-coated gold
nanoparticles, Toxicology and Applied Pharmacology 2010, 245, 116123.
[207] H. Chen, L. Shao, Q. Li, J. Wang, Gold nanorods and their plasmonic properties,
Chemical Society Reviews 2013, 42, 26792724.
[208] B. Thierry, J. Ng, T. Krieg, H. J. Griesser, A robust procedure for the functionali-
zation of gold nanorods and noble metal nanoparticles, Chemical Communications
2009, 17241726.
[209] L. Maus, O. Dick, H. Bading, J. P. Spatz, R. Fiammengo, Conjugation of peptides
to the passivation shell of gold nanoparticles for targeting of cell-surface receptors,
ACS Nano 2010, 4, 66176628.
[210] H. Hinterwirth, S. Kappel, T. Waitz, T. Prohaska, W. Lindner, M. Lammerhofer,
Quantifying thiol ligand density of self-assembled monolayers on gold nanopartic-
les by inductively coupled plasma-mass spectrometry, ACS Nano 2013, 7, 1129
1136.
[211] K. Rahme, L. Chen, R. G. Hobbs, M. A. Morris, C. O'Driscoll, J. D. Holmes,
PEGylated gold nanoparticles, Polymer quantication as a function of PEG lengt-
hs and nanoparticle dimensions, RSC Advances 2013, 3, 60856094.
[212] A. Kuzyk, R. Schreiber, Z. Fan, G. Pardatscher, E.-M. Roller, A. Hogele, F. C.
Simmel, A. O. Govorov, T. Liedl, DNA-based self-assembly of chiral plasmonic
nanostructures with tailored optical response, Nature 2012, 483, 311314.
209
Literatur
[213] J. P. Novak, C. Nickerson, S. Franzen, D. L. Feldheim, Purication of Mole-
cularly Bridged Metal Nanoparticle Arrays by Centrifugation and Size Exclusion
Chromatography, Analytical Chemistry 2001, 73, 57585761.
[214] F. Bonaccorso, M. Zerbetto, A. C. Ferrari, V. Amendola, Sorting Nanoparticles
by Centrifugal Fields in Clean Media, The Journal of Physical Chemistry C 2013,
117, 1321713229.
[215] B. Xiong, J. Cheng, Y. Qiao, R. Zhou, Y. He, E. S. Yeung, Separation of nanorods
by density gradient centrifugation, Journal of Chromatography A 2011, 1218,
38233829.
[216] G. Chen, Y. Wang, L. H. Tan, M. Yang, L. S. Tan, Y. Chen, H. Chen, High-Purity
Separation of Gold Nanoparticle Dimers and Trimers, Journal of the American
Chemical Society 2009, 131, 42184219.
[217] W. Wu, J. Huang, L. Wu, D. Sun, L. Lin, Y. Zhou, H. Wang, Q. Li, Two-step
size- and shape-separation of biosynthesized gold nanoparticles, Separation and
Purication Technology 2013, 106, 117122.
[218] S. Li, Z. Chang, J. Liu, L. Bai, L. Luo, X. Sun, Separation of gold nanorods using
density gradient ultracentrifugation, Nano Research 2011, 4, 723728.
[219] P. Qiu, C. Mao, Viscosity gradient as a novel mechanism for the centrifugation-
based separation of nanoparticles, Advanced Materials 2011, 23, 48804885.
[220] Mosen Asadi, Beet-Sugar Handbook, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New
Jersey, 2005.
[221] S. Pandey, M. Thakur, R. Shah, G. Oza, A. Mewada, M. Sharon, A comparative
study of economical separation and aggregation properties of biologically capped
and thiol functionalized gold nanoparticles: Selecting the eco-friendly trojan horses
for biological applications, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2013, 109, 25
31.
[222] Y. Liu, M. K. Shipton, J. Ryan, E. D. Kaufman, S. Franzen, D. L. Feldheim,
Synthesis, stability, and cellular internalization of gold nanoparticles containing
mixed peptide-poly(ethylene glycol) monolayers, Analytical chemistry 2007, 79,
22212229.
[223] M. Hanauer, S. Pierrat, I. Zins, A. Lotz, C. Sonnichsen, Separation of nanopar-
ticles by gel electrophoresis according to size and shape, Nano letters 2007, 7,
Journal Article Research Support, Non-U.S. Gov't, 28812885.
[224] X. Xu, K. K. Caswell, E. Tucker, S. Kabisatpathy, K. L. Brodhacker, W. A. Scri-
vens, Size and shape separation of gold nanoparticles with preparative gel elec-
trophoresis, Journal of Chromatography A 2007, 1167, 3541.
210
Literatur
[225] R. A. Sperling, T. Pellegrino, J. K. Li, W. H. Chang, W. J. Parak, Electropho-
retic Separation of Nanoparticles with a Discrete Number of Functional Groups,
Advanced Functional Materials 2006, 16, 943948.
[226] J.-Y. Kim, H.-B. Kim, D.-J. Jang, Electrophoretic separation of gold nanopartic-
les according to bifunctional molecules-induced charge and size, Electrophoresis
2013, 34, 911916.
[227] H. Grubmuiller, B. Heymann, P. Tavan, Ligand Binding: Molecular Mechanics
Calculation of the Streptavidin-Biotin Rupture Force, Science 1996, 271, 997
999.
[228] V. T. Moy, E.-L. Florin, H. E. Gaub, Intermolecular Forces and Energies Between
Ligands and Receptors, Science 1994, 266, 257259.
[229] S. H. Brewer, W. R. Glomm, M. C. Johnson, M. K. Knag, S. Franzen, Probing
BSA Binding to Citrate-Coated Gold Nanoparticles and Surfaces, Langmuir 2005,
21, 93039307.
[230] D. Huang, C. P. Byers, L.-Y. Wang, A. Hoggard, B. Hoener, S. Dominguez-
Medina, S. Chen, W.-S. Chang, C. F. Landes, S. Link, Photoluminescence of a
Plasmonic Molecule, ACS Nano 2015, 9, 70727079.
[231] S. Buhbut, S. Itzhakov, E. Tauber, M. Shalom, I. Hod, T. Geiger, Y. Garini, D.
Oron, A. Zaban, Built-in Quantum Dot Antennas in Dye-Sensitized Solar Cells,
ACS Nano 2010, 4, 12931298.
[232] G. Pescitelli, L. Di Bari, N. Berova, Application of electronic circular dichroism in
the study of supramolecular systems, Chemical Society Reviews 2014, 43, 5211
5233.
[233] Z. Chen, U. Baumeister, C. Tschierske, F. Wurthner, Eect of core twisting on
self-assembly and optical properties of perylene bisimide dyes in solution and colum-
nar liquid crystalline phases, Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse Germany)
2007, 13, 450465.
[234] E. Fron, G. Schweitzer, P. Osswald, F. Würthner, P. Marsal, D. Beljonne, K.
Müllen, F. C. d. Schryver, M. van der Auweraer, Photophysical study of bay
substituted perylenediimides, Photochemical & Photobiological Sciences 2008,
7, 15091521.
[235] Victor I. Klimov, Duncan W. McBranch, Femtosecond 1P-to-1S Electron Rela-
xation in Strongly Conned Semiconductor Nanocrystals, Physical Review Letters
1998, 80, 40284031.
[236] R. van Grondelle, V. I. Novoderezhkin, Energy transfer in photosynthesis: expe-
rimental insights and quantitative models, Physical Chemistry Chemical Physics
2006, 8, 793807.
211
Literatur
[237] K. Wu, Q. Li, Y. Du, Z. Chen, T. Lian, Ultrafast exciton quenching by energy
and electron transfer in colloidal CdSe nanosheetPt heterostructures, Chem. Sci.
2015, 6, 10491054.
[238] L. Dworak, V. V. Matylitsky, J. Wachtveitl, Ultrafast photoinduced processes in
alizarin-sensitized metal oxide mesoporous lms, European Journal of Chemical
Physics and Physical Chemistry 2009, 10, 384391.
[239] R. Huber, S. Spörlein, J. E. Moser, M. Grätzel, J. Wachtveitl, The Role of Sur-
face States in the Ultrafast Photoinduced Electron Transfer from Sensitizing Dye
Molecules to Semiconductor Colloids, The Journal of Physical Chemistry B 2000,
104, 89959003.
[240] C. Slavov, H. Hartmann, J. Wachtveitl,  Implementation and evaluation of data
analysis strategies for time-resolved optical spectroscopy, Analytical Chemistry
2015, 87, 23282336.
[241] Lars Dworak, Transiente Absorptionsspektroskopie der CdSe-5ZnS-PDI-Komplexe
nach selektiver Anregung des PDIs, Persönliche Mitteilung.
[242] D. Spittel, J. Poppe, C. Meerbach, C. Ziegler, S. G. Hickey, A. Eychmueller, Ab-
solute Energy Level Positions in CdSe Nanostructures from Potential-Modulated
Absorption Spectroscopy (EMAS), ACS Nano 2017, 12, 1217412184.
[243] F. Würthner, C. Thalacker, S. Diele, C. Tschierske, FluorescentJ-type Aggregates
and Thermotropic Columnar Mesophases of Perylene Bisimide Dyes, Chemistry
2001, 7, 22452253.
[244] G. Battagliarin, Y. Zhao, C. Li, K. Mullen, Ecient tuning of LUMO levels of
2,5,8,11-substituted perylenediimides via copper catalyzed reactions,Organic Let-
ters 2011, 13, 33993401.
[245] J. Jasieniak, P. Mulvaney, From Cd-rich to se-richthe manipulation of CdSe na-
nocrystal surface stoichiometry, Journal of the American Chemical Society 2007,
129, 28412848.
[246] B. Blackman, D. M. Battaglia, T. D. Mishima, M. B. Johnson, X. Peng, Control
of the Morphology of Complex Semiconductor Nanocrystals with a Type II Hetero-
junction, Dots vs Peanuts, by Thermal Cycling, Chemistry of Materials 2007, 19,
38153821.
[247] S. Kim, B. Fisher, H.-J. Eisler, M. Bawendi, Type-II quantum dots: CdTe/CdSe
(core/shell) and CdSe/ZnTe (core/shell) heterostructures, Journal of the Ame-
rican Chemical Society 2003, 125, 1146611467.
212
Literatur
[248] D. Dorfs, T. Franzl, R. Osovsky, M. Brumer, E. Lifshitz, T. A. Klar, A. Eychmul-
ler, Type-I and type-II nanoscale heterostructures based on CdTe nanocrystals:
a comparative study, Small (Weinheim an der Bergstrasse Germany) 2008, 4,
11481152.
[249] H. Mattoussi, J. M. Mauro, E. R. Goldman, G. P. Anderson, V. C. Sundar, F. V.
Mikulec, M. G. Bawendi, Self-Assembly of CdSe ZnS Quantum Dot Bioconjuga-
tes Using an Engineered Recombinant Protein, Journal of the American Chemical
Society 2000, 122, 1214212150.
[250] V. H. R. Schmid, Light-harvesting complexes of vascular plants, Cellular and
molecular life sciences : CMLS 2008, 65, 36193639.
[251] M. Werwie, N. Fehr, X. Xu, T. Basche, H. Paulsen, Comparison of quantum
dot-binding protein tags: anity determination by ultracentrifugation and FRET,
Biochimica et biophysica acta 2014, 1840, 16511656.
[252] M. Werwie, L. Dworak, A. Bottin, L. Mayer, T. Basche, J. Wachtveitl, H. Paulsen,
Light-harvesting chlorophyll protein (LHCII) drives electron transfer in semicon-
ductor nanocrystals, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 2014,
1859, 174181.
[253] T. Fischer, Diplomarbeit, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, 2012.
[254] C. Slavov, N. Bellakbil, J. Wahl, K. Mayer, K. Ruck-Braun, I. Burghardt, J. Wacht-
veitl, M. Braun, Ultrafast coherent oscillations reveal a reactive mode in the
ring-opening reaction of fulgides, Physical Chemistry Chemical Physics 2015, 17,
1404514053.
[255] T. Wilhelm, J. Piel, E. Riedle, Sub-20-fs pulses tunable across the visible from a
blue-pumped single-pass noncollinear parametric converter, Optics Letters 1997,
22, 14941496.
[256] M. T. Trinh, A. J. Houtepen, J. M. Schins, T. Hanrath, J. Piris, W. Knulst,
Goossens, Albert P L M, L. D. A. Siebbeles, In spite of recent doubts carrier
multiplication does occur in PbSe nanocrystals, Nano Letters 2008, 8, 1713
1718.
213

A. Anhang
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
A.1.1. TEM-Aufnahmen der verwendeten GNPs
(a) d = (42  13)nm,  = 5,74 109 l mol=1 cm=1
(b) d = (36  4) nm,  = 3,52 109 l mol=1 cm=1
Abbildung A.1.: Exemplarische TEM-Aufnahmen der in der vorliegenden Arbeit eingesetzten
GNPs mit den zugehörigen Gröÿenverteilungen
I
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
(c) d = (43  7) nm,  = 6,18 109 l mol=1 cm=1
(d) d = (46 4) nm,  = 7,65 109 l mol=1 cm=1 
(e) d = (47  7) nm,  = 8,18 109 l mol=1 cm=1
Abbildung A.1.: Fortsetzung
II
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
(f) d = (48  7) nm,  = 8,74 109 l mol=1 cm=1
(g) d = (41 6) nm,  = 5,32 109 l mol=1 cm=1 
(h) d = (42  7) nm,  = 5,74 109 l mol=1 cm=1
Abbildung A.1.: Fortsetzung
III
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
(i) d = (29  5) nm,  = 1,76 109 l mol=1 cm=1
(j) d = (45 6) nm,  = 7,13 109 l mol=1 cm=1 
(k) d = (52  7) nm,  = 1,12 1010 l mol=1 cm=1
Abbildung A.1.: Fortsetzung
IV
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
(l) d = (52  7) nm,  = 1,12 1010 l mol=1 cm=1
(m) d = (46  5) nm,  = 7,65  109 l mol=1 cm=1
(n) d = (45  11) nm,  = 7,13  109 l mol=1 cm=1
Abbildung A.1.: Fortsetzung
V
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
(o) d = (43 7) nm,  = 6,18 109 l mol=1  cm=1
Abbildung A.1.: Fortsetzung
A.1.2. Bindung von WSCP an citrat-stabilisierte GNPs
Abbildung A.2.: Extinktionsspektren von citrat-stabilisierten GNPs mit und ohne WSCP.
Die erfolgreiche Verbrückung der GNPs durch WSCP ist an Hand der
Verschiebung und Verbreiterung des Plasmonenresonanzpeaks erkennbar.
(dGNPs=(36  5) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1b).
VI
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.3.: Exemplarische Extinktionsspektren von GNP-WSCP-Proben (12 WSCP pro
GNP) und den zugehörigen Referenzproben. Obwohl beide Reaktionen mit
der gleichen Charge GNPs, unter gleichen Bedingungen durchgeführt wur-
den, fand bei I keine Reaktion und bei II eine deutliche Reaktion statt.
(dGNPs=(45 pm 6) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1j)
Abbildung A.4.: Die Reaktion bei pH = 6,3 führt zu einem ähnlichen Ergebnis wie bei pH =
7,8. Unterhalb des pIs von WSCP bei pH = 5,7 ist die Reaktion schwächer
(dGNPs=(43 pm 7) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1o).
VII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.5.: a) und b) Extinktionsspektren von Versuchen in 10 mM Puer bei pH 7,8. In
beiden Beispielen ndet eine Aggregierung der GNPs nach WSCP-Zugabe
statt. Für beide Experimente wurde die gleiche GNP-Lösung verwendet
(dGNPs = 49 nm, abgeschätzt mit [169]). c) Extinktionsspektren von Ver-
suchen in 10 mM und 20 mM Puer bei pH 7,8: In 10 mM Puer fand
hier im Gegensatz zu den in a) und b) gezeigten Spektren keine Reaktion
statt (dGNPs=(43 pm 7) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1o). d)
Extinktionsspektren von GNPs in Wasser und 20 mM Puer bei pH 7,8.
Die GNPs aggregieren hier schon im Puer ohne Zugabe von WSCP, im
Gegensatz zu den GNPs aus c) (schwarze gestrichelte Linie) (dGNPs=(43
pm 7) nm, TEM-Aufnahme siehe Abbildung A.1c).
VIII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
A.1.3. Einuss der Biotin-Position und Verwendung von WSCP-Varianten
aus virginischer Kresse
Die Bindung des WSCP an SA-stabilisierte GNPs wurde mit verschiedenen Varianten des
WSCPs überprüft. Die hier zusätzlich vorgestellten Tests mit der WSCP-Variante aus vir-
ginischer Kresse sollen die in Abschnitt 4.3.1 getätigten Aussagen bezüglich der Spezität
der SA-Biotin-Bindung und der Zugänglichkeit des Biotins für das an den GNPs bendli-
che SA unterstützen. Es wurden drei Kresse-WSCP-Varianten getestet. Tabelle A.1 fasst
nochmal alle in der vorliegenden Arbeit getesteten Varianten zusammen, die Ergebnisse
und die mit Chimera aus den Kristallstrukturen erstellten Oberächenbilder der getesteten
Varianten sind in Abbildung A.6 zusammengestellt. Dabei sind in den Proteinstrukturen
ungefähren Positionen der Biotin-Funktionen rot markiert.
Tabelle A.1.: Übersicht über die getesteten WSCP-Varianten aus Abbildung A.6 (AS: Ami-
nosäure)
Name Art Position der His6-Tags Position der Biotinfunktion
Ia Blumenkohl N-Termini, 6 AS Spacer an allen Lysinen, 3 nm Spacer
Ib Blumenkohl N-Termini, 6 AS Spacer 11 vom N-Terminus
IIa Kresse C-Termini 2 vom N-Terminus aus
IIa1 Kresse C-Termini wie IIa + alle Lysine
IIb Kresse C-Termini an allen Lysinen, 3 nm Spacer
Die Variante Ia ist die Variante, welche für die in der Arbeit vorgestellten Experimen-
te zur Assemblierung der SA-funktionalisierten GNPs eingesetzt wurde. Die Ergebnisse
mit Variante Ib wurden in Abschnitt 4.3.1 bereits besprochen. Die deutlich verminderte
Reaktion mit den GNPs wurde auf die Position der Biotine relativ weit innerhalb der Prote-
instruktur und die daraus resultierende sterische Unzugänglichkeit des SAs für die Biotine
zurückgeführt. Da beide Varianten die gleichen His6-Tags besaÿen, konnte die erfolgrei-
che Reaktion mit Variante Ia auf die Interaktion des SAs und der Biotine zurückgeführt
werden. Eine Wechselwirkung der His6-Tags mit den GNPs fand oenbar nicht statt. Die
Fotos im oberen Teil von Abbildung A.6 zeigen dies eindrücklich. Der Farbumschlag bleibt
bei Verwendung von Ib aus, wird im Anschluss zusätzlich Ia zur Lösung gegeben, ndet
eine Aggregation der GNPs statt.
Sehr ähnliche Tests wurden mit den Kresse-WSCP-Varianten IIa, IIa1 und IIb durchge-
führt. Die Kresse-WSCP-Varianten besaÿen die His6-Tags an den C-Termini, welche, im
Gegensatz zu den exponiert liegenden N-Termini, innen in der Proteinstruktur positioniert
sind. Dadurch sind diese für die Bindung an die GNPs nicht zugänglich. Es zeigt sich den
Positionen der Biotine entsprechend das gleiche Bild wie bei den Varianten Ia und Ib: Bei
Variante II a sind die Biotine ohne zusätzlichen Spacer aus sechs Aminosäuren (AS) an
Position zwei vom N-Terminus aus positioniert. Eine Reaktion bleibt analog zu Variante
IX
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.6.: Übersicht über die getesteten WSCP-Varianten: Es sind die mit Chimera
erstellten Abbildungen der Kristallstrukturen des WSCP aus Blumenkohl (I)
und Kresse (II) gezeigt, sowie die aus den Kristallstrukturen erstellten Ober-
ächenbilder, auf welchen die Positionen der Biotinfunktionen rot markiert
sind. I besaÿ die His6-Tags an den N-Termini, II an den C-Termini. Auÿer-
dem sind die Fotos von GNPs ohne WSCP und nach Zugabe verschiedener
WSCP-Varianten dargestellt. Bei erfolgreicher Reaktion ndet ein deutlicher
Farbumschlag von rot-pink nach blau-lila statt.
X
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Ib aus. Bei Variante IIb (Analogon zu Variante Ia) ndet eine Reaktion statt. Werden
in Variante IIa zusätzlich alle Lysine (wie in Ia und IIb) mit Biotin-Funktionen versehen,
ndet ebenfalls eine erfolgreiche Reaktion statt.
Die Ergebnisse mit Kresse-WSCP-Varianten unterstreichen also die Aussagen aus Ab-
schnitt 4.3.1: Sind die Biotine ungünstig positioniert, aggregieren die GNPs nicht, was
vermutlich auf eine sterische Abschirmung der Biotine durch die Proteinmatrix zurückzu-
führen ist. Die His6-Tags sind nicht für die Bindung an die SA-funktionalisierten GNPs
verantwortlich, sodass die Bindung zwischen WSCP und GNPs eindeutig auf die Biotin-
SA-Bindung zurückzuführen ist.
XI
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
A.1.4. Viskositätsgradientenzentrifugation an citrat- und
PEG-stabilisierten GNP-WSCP-Aggregaten
Abbildung A.7.: Zusammenfassung der Ergebnisse der VGZ an PEG-stabilisierten mit WSCP
assemblierten GNPs. Die GNPs hatten einen mittleren Durchmesser von (42
 7) nm und wurden mit einem PEG-Verhältnis von 1000 COOH-PEG: 1
Biotin-PEG pegyliert. Für die VGZ wurde in einem 2 ml-Eppendorfgefäÿ je
0,4 ml einer 20wt%-igen, 29wt%-igen und 40wt%-igen Saccharoseschicht
verwendet. Die Zentrifugation wurde für 4 min bei 4000 g durchgeführt. a)
Extinktionssepktren der citrat-stabilisierten GNPs, der SA-PEG-GNPs und
der Probe vor der Zentrifugation sowie der drei entnommenen Fraktionen. b)
Ergebnisse der TEM-Analyse von F1 und F2. Für beide Fraktionen wurden
jeweils mindestens 220 Partikel gezählt. c) Exemplarische TEM-Aufnahme
von F1. d) Exemplarische TEM-Aufnahme von F2. Der Maÿstabsbalken
beträgt in beiden Aufnahmen 1000 nm.
XII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.8.: Zusammenfassung des Experiments, welches zur der in Abschnitt 4.5.2
diskutierten Dimerfraktion WSCP-assemblierter citrat-stabilisierter GNPs
führte. a) Extinktionsspektren der citrat-stabilisierten GNPs mit und ohne
WSCP. b) Extinktionsspektren der drei Fraktionen. c) Skizze des Zentrifu-
gengefäÿes (die verwendeten Saccharosekonzentrationen sind in wt% ange-
geben) und Foto des Zentrifugengefäÿes nach der Zentrifugation. d) exem-
plarische TEM-Aufnahme von F3.
A.1.5. Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie
Eine detaillierte Beschreibung des Messprinzips sowie der möglichen Einsatzmöglichkeiten
von FCS ndet sich in [139]. FCS beruht auf der Analyse zeitabhängiger Intensitätsuktua-
tionen eines Fluorophors in Lösung in einem bestimmten Volumen. Das Volumen wird dabei
durch den Laserfokus bestimmt (siehe Abbildung A.9a). Die Emission wird zeitabhängig
gemessen. Die Intensitätsschwankungen des Fluorophors können durch translationale Be-
wegung des Fluorophors im Laserfokus hervorgerufen werden. Diundiert das Fluorophor
schnell durch das Fokusvolumen, kommt es zu schnellen Änderungen der gemessenen In-
tensität. Die gemessenen Intensitätsschwankungen werden statistisch analysiert, in dem
die Intensität zum Zeitpunkt t mit der Intensität zum Zeitpunkt t +  verglichen wird.
XIII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Mit der Autokorrelationsfunktion G()
hF (t)F (t + )i
G() = (A.1)
hF (t)i2
für verschiedene  erstellt. Diundiert das Fluorophor langsam, sind sich F (t) und F (t+)
ähnlich, diundiert das Fluorophor schnell, unterscheiden sich beide Intensitäten stärker.
Die Korrelationsfunktion für die t(ranslation)ale D(iusion lautet:)
 1
 ( s )  1=22 
G() = G(0) 1 + 1  . (A.2)
D u D
s und u beschreiben die Geometrie des Fokusvolumens (siehe Abbildung A.9a). Dabei ist
D der Diusionskoezient und D die Diusionszeit mit
s2
D = . (A.3)
4D
Mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion können so prinzipiell die Diusionszeiten und aus
diesen über den Diusionskoezienten der hydrodynmaische Radius eines Fluorophors
bestimmt werden. Abbildung A.9b zeigt Autokorrelationsfunktionen für verschiedene Dif-
fusionskoezienten. Je kleiner der Diusionskoezient eines Fluorophors ist, desto mehr
verschiebt sich die Korrelationsfunktion zu gröÿeren  .
Abbildung A.9.: a) Das grau schattierte Beobachtungsvolumen ist nicht scharf deniert,
die Werte u und s beschreiben die Abstände, bei dem die Intensität auf
e 2 der maximalen Intensität abgesunken ist b) Beispielkorrelationen zur
Verdeutlichung der Abhängigkeit von der Diusionskonstante. Entnommen
aus [139].
Durchführung der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS)
Die FCS-Messungen wurden von Marcus Held im Rahmen seiner Masterarbeit durchge-
führt. Das verwendete konfokale Fluoreszenzmikroskop ist in Abbildung A.10 gezeigt. Eine
XIV
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.10.: Skizze des experimentellen Aufbau für die FCS. Abkürzungen der einzel-
nen Bauteile: Shutter (SH), variabler optischer Abschwächer (A), Glasfa-
sereinkoppler (EK), Glasfaserauskoppler (AK), achromatische Linse (LA),
Lochblende (LB), Laserlinienlter (LLF), (20/80)-Strahlteiler (20R/80T),
Linse (L), Kamera (CCD-1), dichroitischer Strahlteiler (DS), Spiegel (SP),
Leistungsmessgerät (LMG), Langpasslter (LPF), (50/50)- Strahlteiler-
würfel (ST), Detektionslinse (LD), Avalanche-Photodiode (APD-1 und
APD-2). Die Abbildung wurde aus der Masterarbeit von Marcus Held ent-
nommen [187].
detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus ndet sich in der Masterarbeit von Marcus
Held [187].
Als Anregungslichtquelle wurde ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 640 nm ver-
wendet. Nach Einkopplung des Laserlichts in die Glasfaser passierte dieses den Auskoppler
AK. Mit einem Laserlinienlter (LLF ) wurde der spektrale Bereich des Anregungslichts
verkleinert und die Faseruoreszenz unterdrückt. Der Strahlteiler vor der Fokussierka-
mera (20R/80T) lieÿ 80% des Laserlichts passieren. Das Laserlicht wurde von einem
dichroitischen Strahlteiler DS reektiert und durch ein Ölimmersionsobjektiv auf die Pro-
be fokussiert. Die Probe konnte mit Hilfe des Piezo-Scanners in x,y,z-Richtung verstellt
werden. Das von der Probe ausgesendete Fluoreszenzlicht passierte den DS. Das vom
DS reektierte Laserlicht wurde auf den Strahlteiler (20R/80T) und von dort auf die
CCD-Kamera CCD-1 reektiert. Die CCD-Kamera diente der Kontrolle der Form und der
Gröÿe des Laserfokus. Laserlicht, welches den DS dennoch passiert hatte, wurde aus dem
Detektionsstrahlengang mit Hilfe eines Langpasslters LPF entfernt.
Das Fluoreszenzlicht der Probe passierte einen 50/50-Strahlteiler ST. Ein Teil des
Strahls wurde auf einen Spektrographen gelenkt und von dort auf eine EMCCD-Kamera
(CCD-2), mit welcher Fluoreszenzspektren aufgenommen wurden. Die anderen 50% des
Fluoreszenzlichts wurden mit einem weiteren 50/50-Strahlteiler auf zwei Pfade aufgeteilt,
XV
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
entlang derer das Licht zu jeweils einer APD (APD-1 und APD-2) gelenkt wurden. Mit
diesen wurden die von der Probe ausgesendeten Photonen gezählt. Als Auslesemodul
zur zeitlichen Korrelation der Photonen wurde ein Pico Harp 300-Modul (PicoQuant)
verwendet.
XVI
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
A.1.6. Durchführung der kombinierten
Rasterkraft-/Fluoreszenzmikroskopie
Der Aufbau des AFM-/Fluoreszenzmikroskops ist ausführlich in [253] beschrieben und
in Abbildung A.11 gezeigt. An der Unterseite des AFM-Probentisches bendet sich das
Objektiv des Fluoreszenzmikrokops.
Das verwendete AFM war ein kommerziell erhältliches Gerät der Firma ASYLUM RESE-
ARCH mit der Bezeichnung MFP-3D. Der Kontakt des Cantilevers mit der Probe wurde
mit Hilfe eines Piezoelements z-PE hergestellt. Mit Hilfe eines Piezoscanners im Pro-
benhalter wurde die Probe relativ zum Cantilever und relativ zum Mikroskopobjektiv des
Fluroeszenzmikroskops in xy-Richtung bewegt. Der Cantilever bestand aus kristallinem Si-
lizium, der Krümmungsradius der Spitze betrug 7 nm. Das Gerät wurde im Tapping-Modus
betrieben.
Der Aufbau des Fluoreszenzmikroskops war sehr ähnlich dem oben beschriebenen Auf-
bau für die Fluoreszenzkorrelationsspektrokopie. Als Anregungslichtquelle für die Fluores-
zenzmessung diente ein Helium-Neon-Gaslaser. Die Anregungswellenlänge betrug 633 nm.
Es wurde ein Ölimmersionsobjektiv (ZEISS Plan-NEOFLUAR 100x NA=1.30) verwendet.
Zwischen Laserlinienlter LLF und Lochblende LB befanden sich zur Verwirklichung der
verschiedenen Experimente unterschiedliche polarisationsverändernde Elemente:
 Typ 1 : Typ 1 wurde in der vorliegenden Arbeit nicht verwendet.
 Typ 2 : Typ 2 beinhaltete eine Kombination aus Polarisationslter und /4-Plättchen
zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts.
 Typ 3 : Typ 3 war eine Kombination aus einem Polarisationslter und einem /2-
Plättchen. Das /2-Plättchen befand sich auf einem klappbaren Halter hinter dem
Polarisationslter. Durch Herein- und Herausklappen des Plättchens lieÿ sich wahl-
weise k- oder ? polarisiertes Licht erzeugen.
 Typ 4 : Typ 4 war eine Kombination aus Polarisator, einem spannungsgesteuertem
Flüssigkristall LC und einem /4-Plättchen. Mit Hilfe des LCs konnte die Polarisa-
tion elektronisch variiert werden.
Probenpräparation
Es wurden silanisierte Objektträgergläschen verwendet. Als Silanisierungsreagenz wurde
(3-Aminopropyl)triethoxysilan verwendet. 100 µl APTES wurden in einer Petrischale mit
10 ml mq-Wasser gemischt. Die Objektträger wurden in einem Plasma-Cleaner (DIENER
ELECTRONIC GMBH & CO. KG Zepto; Druck: 0.5 mbar, Plasma Power: 5.5 w. E.) 10
min lang gereinigt und im Anschluss sofort in der APTES-Wasser-Mischung platziert,
wobei darauf geachtet wurde, dass die Objektträger nicht übereinanderlagen. Nach 20 min
XVII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
Abbildung A.11.: Skizze des Versuchsaufbaus für die korrelierten rasterkraftmikrokopischen
und einzelmolekülspektroskopischen Experimente: Shutter (SH), variabler
optischer Abschwächer (A), Glasfaser mit Ein- und Auskoppler (GF-1),
Linse (L), Lochblende (LB), Laserlinienlter (LLF), Spiegel (SP), (50/50)-
Strahlteiler (n.ST), (20/80)-Strahlteiler ((20/80)ST), Kamera (CCD-1),
Leistungsmessgerät (LMG), Piezoscanner (PS), z-Piezoelement (z-PE),
Kurzpasslter (KPF), Langpasslter (LPF), (50/50)-Strahlteilerwürfel (n.
ST), polarisierender Strahlteiler (p. ST), Avalanche-Photodiode (APD-
1 und APD-2), Glasfaser des Spektrometers mit Ein- und Auskopp-
ler (GF-2), CCD-Kamera des Spektrometers (CCD-2). Zur Veränderung
der Anregungspolarisation wurden verwendet: Polarisator (P), /4- bzw.
/2-Wellenplättchen (/4 bzw. /2), spannungsgesteuerter Flüssigkristall
(LC). Entnommen aus der Masterarbeit von Marcus Held [187].
XVIII
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
wurden die Objektträger nacheinander entnommen und sofort mit mq-Wasser gespült und
im Argonstrom getrocknet.
 Immobilisierung der GNP-WSCP-Aggregate: 25 µl der GNP-WSCP-Probe wurden
in die Mitte eines silanisierten Objektträgers pipettiert und 20 min unter einer Petri-
schale inkubiert. Die GNP-Lösung wurde mit mq-Wasser abgespült und die Oberä-
che unter Argonstrom getrocknet. War die Belegungsdichte zu gering, wurden die
genannten Schritte noch einmal wiederholt.
 Immbobilisierung von WSCP: 20 µl einer 5  10=10 MWSCP-Lösung wurde mit Hilfe
von Spin-Coating (6000 Umdrehungen pro Minute, 120 s) auf einem silanisierten
Objektträger immobilisiert.
A.1.7. Exemplarische Fluoreszenzzeitspuren von reinem WSCP
Abbildung A.12.: Exemplarische Zeitspuren von reinem WSCP. a) Zeigt die Zeitspur eines
relativ langlebigen WSCPs mit einstugem Bleichen. b) Beispiel für sehr
schnelles, einstuges Bleichen. c) Beispiel für mehrstuges Bleichen. Ent-
nommen aus der Masterarbeit von Marcus Held [187].
XIX
A.1. Nanoantennen für die Fluoreszenzverstärkung von WSCP
A.1.8. Extinktionsspektren der verwendeten WSCP-GNP-Proben
Abbildung A.13.: Extinktionsspektren der mit WSCP assemblierten GNPs, welche im Rah-
men der Experimente am kombinierten AFM/SMS-Versuchsaufbau ver-
wendet wurden: a) und b) PEG-stabilisierte GNPs, TEM-Aufnahmen sie-
he Abbildung A.1k (a) bzw. A.1h (b). c) SA-stabilisierte GNPs sowie
beide Fraktionen F2 nach der VGZ (Dimeranteile bestimmt aus TEM-
Aufnahmen: 28% und 22%). TEM-Aufnahme der GNPs siehe Abbildung
A.1l).
XX
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
A.2.1. Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektren
Selektive Anregung der QDs
Abbildung A.14.: Fluoreszenzzerfallskurven der CdSe-PDI-Komplexe nach Anregung mit 450
nm, die Detektionswellenlänge lag bei 550 nm (Fluroeszenzemissionsma-
ximum der QDs). In Klammern sind die mittleren amplitudengewichteten
Zerfallszeiten angegeben.
XXI
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
Selektive Anregung des PDIs
Abbildung A.15.: Fluoreszenzzerfallskurven der QD-PDI-Komplexe nach selektiver Anregung
des PDI in den Komplexen, der Proben, welche aus Gründen der Übersicht-
lichkeit in Abbildung 5.9 nicht dargestellt sind.
XXII
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
Tabelle A.2.: Amplituden Ax , Fluoreszenzzerfallszeiten x und mittlere amplitudengewichtete
Fluoreszenzzerfallszeiten  der CdSe-PDI-Komplexe. Die Anregungswellenlän-
ge lag bei 577 nm, die Emissionswellenlänge bei 612 nm.
PDI:QD  /ns 1 /ns A1 2 /ns A2 3 /ns A3
0,1:1 2,4 4,7 0,17 0,7 0,30 2,7 0,53
0,5:1 2,3 4,1 0,28 0,6 0,27 2,3 0,45
0,8:1 2,1 3,9 0,29 0,5 0,26 1,9 0,44
1,3:1 2,0 3,8 0,29 0,4 0,27 1,8 0,44
2,3:1 1,8 3,9 0,21 0,4 0,34 1,8 0,45
3,7:1 1,6 4,0 0,17 0,4 0,41 1,7 0,42
Tabelle A.3.: Amplituden Ax , Fluoreszenzzerfallszeiten x und mittlere amplitudengewichtete
Fluoreszenzzerfallszeiten  der CdSe2ZnS-PDI-Komplexe. Die Anregungswel-
lenlänge lag bei 577 nm, die Emissionswellenlänge bei 612 nm.
PDI:QD  /ns 1 /ns A1 2 /ns A2 3 /ns A3
0,1:1 3,8 5,7 0,22 3,2 0,78
0,4:1 3,6 4,3 0,55 2,7 0,45
0,7:1 3,4 4,0 0,69 2,1 0,31
1,3:1 3,3 3,9 0,69 1,9 0,31
2,4:1 2,9 5,4 0,10 3,1 0,71 0,8 0,19
3,3:1 2,6 5,2 0,13 2,9 0,63 0,7 0,24
4,7:1 2,3 5,0 0,17 2,4 0,53 0,5 0,31
Tabelle A.4.: Amplituden Ax , Fluoreszenzzerfallszeiten x und mittlere amplitudengewichtete
Fluoreszenzzerfallszeiten  der CdSe5ZnS-PDI-Komplexe. Die Anregungswel-
lenlänge lag bei 577 nm, die Emissionswellenlänge bei 612 nm.
PDI:QD  /ns 1 /ns A1 2 /ns A2 3 /ns A3
0,1:1 4,0
0,6:1 3,9 4,5 0,58 3,0 0,42
1,4:1 3,8 4,2 0,80 2,1 0,20
2,3:1 3,7 4,2 0,76 2,0 0,24
3,2:1 3,6 4,2 0,75 1,7 0,25
4,9:1 3,4 5,9 0,12 3,5 0,69 0,8 0,19
XXIII
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
A.2.2. Transiente Absorptionsspektroskopie
Statische Spektren der mit transienter Absorptionsspektroskopie untersuchten
CdSe-PDI-Komplexe
Abbildung A.16.: Statische Spektren der in den TA-Experimenten untersuchten CdSe-PDI-
Komplexe
Durchführung
Die femtosekundenaufgelöste transiente Absorptionsspektroskopie wurde an der Goethe-
Universität Frankfurt in der Arbeitsgruppe von Prof. Josef Wachtveitl von Dr. Lars Dworak
durchgeführt.
Die transienten Absorptionsmessungen wurden mit einem konventionellem Anregungs-
Abfrage-Aufbau durchgeführt, der im Detail in [254] beschrieben wird. Die Femtosekunden-
XXIV
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
Laserpulse mit einer Wellenlänge von 775 nm wurden mit einem Clark CPA 2001 La-
ser/Verstärkersystem mit einer Wiederholungsrate von 1 kHz generiert. Die Pulse wurden
in einen Detektions- und einen Anregungsstrahl geteilt.
Die Anregungswellenlänge von 388 nm wurde durch einen -BBO-Kristall realisiert. Die
Anregungswellenlänge von 590 nm wurde mit einem nicht-kollinearen optischen parame-
trischen Verstärker verwirklicht [255]. Die 388 nm Anregungspulse hatten eine Energie
von 10 nJ pro Puls, und einen Durchmesser von etwa 110 µm.
Für den Detektionsstrahl wurde ein Weiÿlichtkontinuum mittels Fokussierung des ge-
pulsten Laserstrahls auf ein 2 mm dickes Saphirglas erzeugt. Der Detektionsstrahl wurde
in einen Abfrage- und einen Referenzstrahl geteilt. Der Abfragestrahl wurde in der Probe
räumlich mit dem Anregungstrahl überlagert.
Die Messungen wurden in einer 1 mm Quarzküvette durchgeführt. Die optische Dichte
der Proben betrug am niederenergetischsten exzitonischen Übergang der QDs 0,1 bis 0,2.
Auf Basis von [256] wurde die Anzahl absorbierter Photonen auf 0,16 bis 0,28 pro QD
bestimmt.
Die spektrale Auösung des Versuchsaufbaus betrug 6,3 nm.
Anregung mit 390 nm: Spektren bei fester Verzögerungszeit
XXV
A.2. Elektronische Wechselwirkung von CdSe-QDs und PDI
Abbildung A.17.: transiente Absorptionsspektren bei festen Verzögerungszeiten der reinen
a) CdSe-Probe, b) der Probe mit 0,1 PDI pro CdSe, c) 1,6 PDI pro CdSe
sowie d) 5,2 PDI pro CdSe nach Anregung mit 388 nm (QD-Anregung).
Zerfallsassoziierte Spektren
Für die zerfallsassoziierten Spektren wird eine zeitabhängige Modellfunktion an die Ein-
zeltransienten bei einer bestimmten Wellenlänge angepasst, welche aus einer Summe von
exponentiellen Zerfällen mit Amplituden als Vorfaktoren besteht. Die Zerfallszeiten sind
für alle Wellenlängen einer Probe gleich, die Amplituden werden für die verschiedenen Wel-
lenlängen unabhängig voneinander angepasst. Das Auftragen dieser Amplituden gegen die
Wellenlänge liefert die zerfallsassoziierten Spektren. Der Zerfall oder Aufbau einer Spezies
mit einer bestimmten Zeitkonstante führt im Bereich der Absorption bzw. Emission dieser
Spezies zu groÿen Amplituden. Diese sind positiv für den Zerfall von positiven und den
Aufbau von negativen Absorptionsänderungen und negativ für den Aufbau von positiven
und den Zerfall von negativen Absorptionsänderungen.
XXVI
A.3. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-QDs
A.3. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-QDs
(a) Absorptionsspektren
(b) d = (4,2  0,4) nm
(c) d = (4,3  0,3) nm
Abbildung A.18.: Exemplarische Absorptionsspektren und TEM-Aufnahmen von CdTe-
Kernen. Der Maÿstabsbalken ist 20 nm in allen Aufnahmen.
XXVII
A.3. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-QDs
(d) d = (4,4  0,3) nm
(e) d = (4,0  0,4) nm
Abbildung A.18.: Fortsetzung
XXVIII
A.3. Synthese von CdTe/CdSe/ZnS-QDs
Abbildung A.19.: Charakterisierung der CdTe/2 ML CdSe-QDs mit einer Fluoreszenzquan-
tenausbeute von 91%. a) Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektren
von CdTe/2 ML CdSe-QDs b) Exemplarische TEM-Aufnahme. Der Maÿ-
stabsbalken ist 20 nm, dermittlere Durchmesser beträgt (4,9  0,6) nm.
c) Histogramm der Gröÿenverteilung.
XXIX

Danksagung
i

Lebenslauf
Persönliche Daten
Name
Adresse
Geburtstdatum
Geburtsort
Staatsangehörigkeit Deutsch
Berufserfahrung
seit 08/2017 Entwicklungsingenieurin
Mettler-Toledo GmbH, Prozessanalytik
09/2011 - 03/2017 wissenschaftliche Mitarbeiterin
Institut für Physikalische Chemie, Arbeitsgruppe Prof. Dr. Thomas Basché,
Johannes Gutenberg Universität-Mainz
09/2010 - 08/2011 Praktikantin/Diplomandin
Robert Bosch GmbH, Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung
Ausbildung
10/2006  09/2011 Studium des Chemieingenieurwesens Technische Universität Berlin,
Abschluss: Diplom-Ingenieurin
10/2005-10/2006 Studium der Chemie (Diplom), Humboldt-Universität zu Berlin
(ohne Abschluss)
2005 Abitur, Wieland-Herzfelde-Oberschule Berlin
iii
Veröentlichungen
 Energy and Charge Transfer in Nanoscale Hybrid Materials Thomas Basché, Anne
Bottin, Chen Li, Klaus Müllen, Jeong-Hee Kim, Byeong-Hyeok Sohn, Prem Prab-
hakaran und Kwang-Sup Lee, Macromolecular Rapid Communications, Vol. 36, 11,
S. 10261046 (2015)
 Photoluminescence Emission and Excitation Spectroscopy of Single Semiconductor
Nanocrystals at Cryogenic Temperatures Anne Boos, Anne Bottin und Thomas
Basché, In Vorbereitung
 Photochemistry at the CdSe Quantum Dot - PDI Dye Interface: Unravelling Exci-
tation Energy and Electron Transfer Pathways Lars Dworak, Anne Bottin, Klaus
Müllen, Josef Wachtveitl und Thomas Basché In Vorbereitung
 Chlorophyll-Protein (LHCII) Driven Electron Transfer in Semiconductor Nanocry-
stals Mara Werwie, Lars Dworak, Anne Bottin, Lisa Mayer, Thomas Basché, Josef
Wachtveitl und Harald Paulsen, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenerge-
tics, Vol. 1859, 3, S. 174-181 (2018)
Konferenzbeiträge
 Electronic Coupling between Dye Molecules and CdSe-Core and CdSe/Core-Shell
Nanocrystals Anne Bottin, Lars Dworak, Zhihong Liu, Klaus Müllen, Josef Wacht-
veitl und Thomas Basché Fundamental Processes in Semiconductor Nanocrystals
(FQDots14), Oxford, Groÿbritannien, 8.-10. September 2014
 Semiconductor Quantum Dots: Spectroscopy and FRET Assays with Fluorescent
Dyes and Proteins Anne Boos, Anne Bottin, Mara Werwie, Zhihong Liu, Harald
Paulsen, Klaus Müllen und Thomas Basché Abschlusstagung des SFB 625, Mainz,
16.-18. Oktober 2013