Plasmonische Nahfeldresonatoren aus zwei biokonjugierten Goldnanopartikeln [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Moritz Ringler

Moritz Ringler

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

MoPlasmonischeNahfeldresonatoM?renM?nchenausauszwLudwigMaximilianeinbiokrgelegtonjugiertenRiGoldnanopaM?nchen,rtik2008elnsDissertationUaniversit?tdervoFvonakult?tritzf?rnglerPhEssenysimirzkderBetreuer: Prof. Dr. Jochen Feldmann
Zweitgutachter: Prof. Dr. Hermann Gaub
Mündliche Prüfung am 9. Mai 2008
22.1 Optische Eigenschaften einzelner Goldnanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Partikelplasmonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Mie-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Optische Eigenschaften kleiner Nanopartikelaggregate . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Gekoppelte Partikelplasmonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Verallgemeinerte Mie-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.3 Andere Methoden zur Lösung des Streuproblems . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Die durchstimmbare Resonanz des Nanopartikeldimers . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Fernfeld – elastische Lichtstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Nahfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Plasmonverstärkte Fluoreszenz und Ramanstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.1 Fluoreszenz, resonanter Energietransfer und Purcell-Eekt . . . . . . . . . 38
2.4.2 Ramanstreuung und oberflächenverstärkte Ramanstreuung . . . . . . . . 42
2.5 Proteine als Verbinder für Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 Biotin-Streptavidin-Bindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2 Funktionalisierung von Goldnanopartikeln mit biotiniliertem Albumin . 47
2.5.3 Zetapotential funktionalisierter Nanopartikel . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1 Präparationsbegleitende Ensemblemessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 Extinktionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 Zetapotentialmessung mittels Phasenanalysen-Lichtstreuung . . . . . . . 54
3.1.3 Nanopartikel-Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Mikroskopie einzelner Dimere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 Transmissionselektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.2 Elastische Streuspektroskopie einzelner Nanopartikeldimere . . . . . . . . 61
3.2.3 Raman- und Fluoreszenzspektroskopie an einzelnen Dimeren . . . . . . . 64
4.1 Aggregation biotinilierter Nanopartikel mit Streptavidin . . . . . . . . . . . . . . 68
3
erimentelleNanopaUntersuchungrtik1eldimerenden673enen11GrundlagenvonzurHerstellungMetho4Exp53InhaltsverzeichniselaggregateEinleitungrtik2Nanopa15kleinerProtein-Ligand-verbund4.2 Isolierung der Dimere per Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Elektronenmikroskopische Vermessung des Partikelabstands . . . . . . . . . . . . 73
5.1 Anregungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Emission und Energietransfer für ein Zwei-Niveau-System . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 Entwicklung des von einem oszillierenden Punktdipol emittierten Feldes
in sphärischen Vektorwellenfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Lösung der Maxwellgleichungen und Berechnung der abgestrahlten und
absorbierten Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.3 Zerfallsraten des angeregten Zustands eines Zwei-Niveau-Systems . . . . 80
5.3 Fluoreszenzverstärkung für ein reales Molekül . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.1 Anregungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.2 Emissionsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.3 Gesamtverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Fluoreszenzverstärkung in mit dem Rasterkraftmikroskop zusammengesetzten
Goldnanopartikeldimeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 Verstärkung der Ramanstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Modellrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3 Vergleich von Experiment und Modell – Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.1 Fluktuierende Ramanspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.2 Verstimmung der Dimerresonatoren nach Ramanstreuung an den Proteinen im
Partikelzwischenraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.3 Diskussion – Ramaninduzierte Abstandsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A GMM – ein FORTRAN-Programm zur Berechnung der verallgemeinerten Mie-
Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B GMM-FIELD – eine GMM-Erweiterung zur Berechnung des Nahfeldes . . . . . . 117
C GMM-DIP – verallgemeinerte Mie-Streuung eines Dipolfeldes . . . . . . . . . . . 122
4
115rkung5FluoNanopareszenzverst?undriertikderPurcell-EektRaman-Zusammenfassund1137ggregatenRamaninduzierteNanAbstands?nderunginin6Nanopa8rtikungeldimerenAusblick105AnhangTheo7591elarenopaeldimer-NahfeldresonatortikinPaare sphärischer metallischer Nanopartikel sind das ideale Modellsystem, um gekoppelte plasmonische
Resonanzen und die von ihnen hervorgerufenen Phänomene oberflächenverstärkter Ramanstreuung
und Fluoreszenz zu untersuchen. Denn solche Nanopartikeldimere sind die einfachsten plasmonischen
Systeme, in denen ein ausgeprägter elektromagnetischer Heißpunkt auftritt: eine massive Überhöhung der
elektrischen Feldstärke und der Modendichte des elektromagnetischen Feldes im Partikelzwischenraum.
Über den Abstand der Partikel lässt sich die Frequenz, bei der dieser Heißpunkt auftritt, durchstimmen.
Gleichzeitig sind Dimere einfach genug, dass das Spektrum der elastischen Lichtstreuung sie eindeutig
charakterisiert. Diese beiden Tatsachen werden in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal konsequent
ausgenutzt, und zwar um den Einfluss des Dimer-Heißpunkts auf Fluoreszenz und Ramanstreuung von
organischen Molekülen zu untersuchen.
Es wird gezeigt, dass das Fluoreszenzspektrum des Farbstoes Cy3 in Dimerresonatoren durch den
Purcell-Eekt selektiv bei der jeweiligen Resonanzfrequenz überhöht wird, wodurch sich die relati-
ven Intensitäten der vibronischen Subbanden des Spektrums drastisch ändern und teilweise sogar
umkehren. Die experimentellen Ergebnisse werden im Rahmen einer eigens entwickelten Theorie der
Fluoreszenzverstärkung in Anordnungen von zwei oder mehr Nanopartikeln interpretiert. Diese Theorie
der Fluor berücksichtigt die vibronischen Unterniveaus des Grundzustands realer
Fluorophore und geht damit über die derzeit in der Literatur übliche Behandlung von Fluoreszenz-
farbstoen in der Nähe von Nanopartikeln als reine Zwei-Niveau-Systeme hinaus. Dadurch werden
genaue Vorhersagen der spektralen Verschiebung der Farbstoemission durch den Purcell-Eekt in
Nanopartikeldimeren möglich. Die berechnete Verformung der Fluoreszenzspektren stimmt sehr gut
mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dies zeigt, dass die Verformung der Spektren wie im
Modell angenommen ausschließlich auf die Änderung der Wahrscheinlichkeiten strahlender Übergänge
zurückzuführen ist. Der gleichzeitig auftretende Energietransfer vom Farbsto zu den Nanopartikeln
beeinflusst die Form der Spektren nicht. Damit ist dieses Experiment die erste direkte Messung der
Änderung der Wahrscheinlichkeiten strahlender Übergänge in einem einzelnen plasmonischen Resonator
mit Abmessungen von weniger als der halben Wellenlänge.
Durch Experimente zur Ramanstreuung an Proteinen in einzelnen Nanopartikeldimeren bringt diese
Arbeit eine zuvor unentdeckte Ursache für die starke Fluktuation von Spektren der oberflächenverstärk-
ten Ramanstreuung aus einzelnen elektromagnetischen Heißpunkten zum Vorschein. Die korrelierten
Messungen von Ramanstreuung und elastischer Lichtstreuung zeigen eine Verschiebung der Dimerre-
sonanz genau dann, wenn zuvor Ramanaktivität gemessen worden ist. Dies erlaubt den Schluss, dass
Raman-angeregte Moleküle auf die Geometrie und die Resonanzen von Nanopartikelaggregaten, wie sie
üblicherweise zur Messung oberflächenverstärkter Ramanstreuung eingesetzt werden, zurückwirken
können. Als wahrscheinlichster Mechanismus dieser Rückwirkung wird in der vorliegenden Arbeit
die Anregung mechanischer Freiheitsgrade des ramanstreuenden Proteins und seine anschließende
Konformationsänderung diskutiert.
Zur systematischen experimentellen Untersuchung von Nanopartikeldimeren ist es erforderlich, diese
in ausreichender Zahl und Reinheit reproduzierbar herzustellen. In den Experimenten der vorliegenden
Arbeit werden dazu proteinkonjugierte Nanopartikel mittels Protein-Ligand-Wechselwirkungen gezielt zu
Dimeren verknüpft. Gelelektrophorese mit anschließender Elektroelution entfernt größere Aggregate aus
der Probe und erhöht den Dimeranteil von 20 % auf 60 %. Bei Goldnanoparti