Fluorophores near metal interfaces

Abstract

Die Fluoreszenzspektroskopie gehört heutzutage zu den bedeutendsten experimentellen Methoden der biomedizinischen Forschung mit besonderer Anwendungsbereichen in der medizinischen Diagnose, DNA-Sequenzierung und Genforschung. Es ist gut bekannt, dass die Nähe zu metallischen Objekten einen Einfluss auf die Zerfallprozesse von Fluoreszenzmolekülen hat. Dies gilt sowohl für Strahlungsübergänge wie für strahlungslose Prozesse und kann zu einer verringerten Zerfallsrate (im Fall von ebenen Metallgrenzflächen) oder einer erhöhten Zerfallsraten (in geeigneten Fällen rauer Oberflächen oder von metallischen Nanopartikeln) führen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten eines Fluoreszenzmoleküls (bzw. eines Ensembles von Fluoreszenzmolekülen) in der Nähe von metallischen Grenzflächen zu untersuchen. Das Verständnis der physikalischen Prinzipien hinter der Wechselwirkung zwischen metallischen Objekten und Fluoreszenzmolekülen ist von großer Bedeutung für zahlreiche Anwendungen, in denen Fluoreszenzfarbstoffe in der Nähe von metallischen Grenzflächen zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Solarzellen, LEDs und insbesondere Sensoranwendungen. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit dem Verhalten eines Fluoreszenzfarbstoffs in der Nähe einer ebenen metallischen Grenzfläche. Ein Abstandshalter aus wohldefinierten Polyelektrolyt-Multilagen wird auf einen Goldfilm präpariert, um einen kontrollierten Abstand zum Fluoreszenzfarbstoff zu definieren. Die Fluoreszenzintensität, das winkelabhängige Emissionsspektrum und die Rate der photochemischen Zerstörung (engl. "photobleaching") eines Ensembles von Fluoreszenzfarbstoffen wird experimentell ermittelt und mit hierzu angestellten Modellrechnungen verglichen. Schließlich wird dieselbe Fragestellung per Einzelmolekülspektroskopie untersucht. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Synthese und Charakterisierung von Goldnanopartikeln und -nanodrähten. Zunächst wird die schlecht definierte Hülle aus physikalisch adsorbierten Ionen auf der Oberfläche von per Zitratreduktion synthetisierten Goldteilchen durch eine selbstorganisierte Monolage aus 2-Mercapto-Bernsteinsäure ersetzt. Desweiteren wird eine neue Syntheseroute zur Präparation von Goldpartikeln mit einem Durchmesser über 10 nm etabliert, die nur HAuCl4 und Mercapto-Bernsteinsäure ohne zusätzliche Reduktionsmittel verwendet. Mit dem ultimativen Ziel der Untersuchung von Fluoreszenzmolekülen in komplexen metallischen Nanostrukturen wird eine Multilagenarchitektur aus Goldgrenzfläche und Goldpartikeln aufgebaut, die mit wohldefinierten polymerischen Abstandshaltern separiert sind. Die Eigenschaften des Systems wird umfassend mit den Methoden (optischer) Gberflächenanalyse untersucht.

Nowadays fluorescence spectroscopy is one of the dominant tools used in biomedical research and has become a dominant method enabling the revolution in medical diagnostics, DNA sequencing and genomics. It is known that the proximity of a metallic object alters the radiative and nonradiative rates of fluorescing species. This could be expressed in quenching (flat metal interface) or enhancement of the emitted fluorescence (rough metal surface or metal particles). The aim of this forward-looking work is to address the behavior of a fluorophore (or an ensemble of fluorophores) in the vicinity of a metal surface. Defining and understanding of the underlying phenomena is very important in all processes where a fluorescing dye is used with a metal interface (solar cells, LEDs) and particularly in sensor applications. The first part of my thesis addresses the behavior of a fluorescing dye in the vicinity of a flat metal interface. A multilayered spacer with well defined parameters was constructed in order to provide a separation distance between the fluorescing dye and a gold film. The fluorescence intensity, the angular distribution of the fluorescence and the photobleaching rate of an ensemble of fluorescing dyes were experimentally determined and compared with that predicted by the theory. In addition the problem was addressed on single molecule level. The second part of my thesis will be dedicated to gold nanoparticles and gold nanowires. Firstly, the undefined shell of physically adsorbed ions on the surface of citrate reduced gold nanoparticles was exchanged by a self-assembled monolayer of 2-mercaptosuccinic acid. Then a new route for the synthesis of monolayer protected gold nanoparticles with size above 10 nm was established as only HAuCl4 and 2-MSA were used, without employing any additional reduction agent or capping agent. Pursuing the ultimate goad, or the behaviour of fluorescing dyes near more complex metal objects, a multilayered architecture involving a gold interface and gold nanoparticles, which were separated by a well defined polymer spacer was constructed. The properties of the system were fully characterized by surface and optical analytical techniques.