Nanochemistry and sensing in photonic crystal fibers [Elektronische Ressource] = Photochemie und Spektroskopie im Nanoliter-Bereich in Photonischen Kristallfasern / vorgelegt von Jocelyn Ssu-Yin Chen

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• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 16
• Langue: Deutsch
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Extrait

Nanochemistry and Sensing
in Photonic Crystal Fibers
Photochemie und Spektroskopie im Nanoliter-Bereich
in Photonischen Kristallfasern
Der Naturwissenschaftlichen Fakult at
der Friedrich-Alexander-Universit at Erlangen-Nurn berg
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
vorgelegt von
Jocelyn Ssu-Yin Chen
aus TaichungAls Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakult at
der Friedrich-Alexander Universit at Erlangen-Nurn berg
Tag der mundlic hen Prufung: 23 November 2010
Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Philip St.J. Russell
Zweitberich Dr. Clemens F. KaminskiFor my family.Zusammenfassung
Diese Arbeit handelt von Anwendungsm oglichkeiten photonischer Kristallfasern (PCF) im
Bereich der Photochemie und Spektroskopie im Nanoliter-Bereich. Photonische Kristall-
fasern haben die F ahigkeit, eine bestimmte Lichtmode ub er sehr gro e Distanzen in
einem sehr kleinen Probe-Volumen zu fuhren. Diese einzigartige Eigenschaft photonischer
Kristallfasern erlaubt eine drastische Steigerung der erzielbaren Licht-Materie-Wechsel-
wirkung und ist Grundlage dieser Arbeit. Die Parameter, von denen optimale Bedingun-
gen fur Nachweisreaktionen sowie die Ausbeute photochemischer Reaktoren abh angen,
werden diskutiert. Au erdem werden verschiedene Verfahren zur Verwendung von PCF-
Sensoren in mikro uidischen Systemen untersucht. Weiterhin wird ein hochgradig kon-
trollierbares photochemisches Reaktionsgef a vorgestellt. Als prinzipieller Beweis seiner
Anwendbarkeit zur aktiven Herbeifuhrung und Beobachtung photochemischer Reaktionen
wird die Photolyse w assriger Cobalaminl osung im Kern einer PCF quantitativ gemessen.
Wegen der - fur diese Reaktion typischen - m a igen Quantenausbeute w are dies mit kon-
ventionellen Methoden schwierig oder unm oglich. Die dynamischen Vorg ange w ahrend
der aktiv herbeigefuhrt en Reaktion konnten mittels Breitband-Absorptionsspektroskopie
in der Faser in Echtzeit aufgezeichnet werden. Die Ergebnisse wurden mit denen einer
herk ommlichen Kuv ettenmessung verglichen. Durch das verwendete Reaktionsgef a kon-
nte das ben otigte Probevolumen gegenuber konventionellen Techniken stark verkleinert
werden (in die Gr o enordnung von nL/cm). Die starke Licht-Materie-Wechselwirkung in
den mikrostrukturierten Fasern erm oglicht es, bei sehr niedrigen Lichtleistungen, kurzere
Reaktionszeiten zu erreichen. Weiterhin konnte das schnelle und reversible photoin-
duzierte Schalten eines Azobenzol-Derivats nachgewiesen und dadurch die E zienz und
Reproduzierbarkeit des Reaktors best atigt werden. Neben dem photochemischen Reaktor
wurde ein quantitativer breitbandiger Fasersensor entwickelt, basierend auf der Uberlap-
vvi ZUSAMMENFASSUNG
pung evaneszenter Felder in den Mantell ochern einer Vollkernfaser. Dabei wurde, trotz
des wesentlich verringerten Probevolumens, hervorragende ub ereinstimmung mit dem
unter Verwendung einer gew ohnlichen Kuv ette erhaltenen Referenzspektrum festgestellt.
Zuletzt bieten PCF, neben gr o erer Licht-Materie-Wechselwirkung, auch ein gro es Ober-
5 1 achen-Volumen-Verh altnis ( 10 m ) fur Anwendungen, in denen Reaktionen mit
Ober achengebundenen Probentypen von Interesse sind. Zu diesem Zweck wurden die
Selbstaggregation und das Photobleichen eines Thiazin-Farbsto s in einer Index-leitenden
Faser mit \Mercedesstern"-Querschnitt untersucht. Durch Absorptionsspektroskopie an-
hand der evaneszenten Welle, die von der im Kern geleiteten Lichtmode in die Man-
tell ocher der Faser ausstrahlt, konnte die Anzahl der, an der Ober ache der Faseradsor-
bierten, Molekule ermitteln werden.Abstract
The work described in this thesis demonstrates the application of photonic crystal bers
in nanochemistry and sensing. In the photonic crystal ber, a well-de ned optical mode
can propagate through a sample volume con ned within the ber’s microstructure over
very long distances. This property, unique to the photonic crystal ber, o ers greatly
enhanced gure of merit for light-matter interactions, and is the basis of this thesis. The
parameters governing the optimum sensing conditions and the gure of merit for photo-
chemical reactors are discussed and several fabrication techniques with the objective of
combining photonic crystal ber sensors with micro uidics have also been investigated. A
highly-controlled photochemical reactor was proposed and demonstrated. As a proof-of-
principle for its application in actively inducing and monitoring photochemical reactions,
the photolysis of an aqueous cobalamin was quantitatively measured in a liquid- lled
hollow-core photonic crystal ber. The reaction is characterized by modest quantum
yields which would otherwise be di cult or impossible to induce and monitor using con-
ventional methods. The dynamics of the actively induced reaction were monitored in
real-time by broadband absorption spectroscopy in the ber. Results were compared to
those obtained using standard techniques in a cuvette. The reactor has greatly reduced
the sample volume requirement (in the order of nL/cm) compared to conventional tech-
niques. The strong light-matter interactions in the ber microstructure allowed shorter
reaction times to be achieved at very low optical powers. Additionally, the fast and re-
versible photoswitching of an azobenzene derivative was demonstrated and con rmed the
e ectiveness and reproducibility of the photochemical reactor. In addition to the photo-
chemical reactors, a quantitative broadband ber sensor based on evanescent- eld sensing
in the cladding holes of a suspended solid-core ber was demonstrated. Excellent agree-
ment with the reference spectrum measured in a standard cuvette was obtained despite
vii