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Fluorophores near metal interfaces


Vasilev,  Krasimir
MPI for Polymer Research, Max Planck Society;

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Vasilev, K. (2004). Fluorophores near metal interfaces. PhD Thesis, Halle-Wittenberg Universität, Halle <Saale>.

Summary The results of this work can be separated in two parts – the experimental and theoretical assessment of the fluorescence in the vicinity of a flat gold interface, and the surface modification and synthesis of gold nanoparticles and gold nanowires. At the end first steps to a more complex study on the fluorescence intensity near more complex objects as gold nanoparticles were done. A defined multilayer architecture at the nanometer scale for the study of the fluorescence in the presence of a metal interface was designed and precisely experimentally implemented. An ultrasmooth gold film was used in combination with self-assembled monolayers and layer-bylayer deposition of polyelectrolytes allowing for the separation of fluorescing dyes from a gold interface in a controlled and precise manner. The characteristics (thickness, roughness, optical constants) of the layers were fully analysed by a variety of techniques (Small Angle X-ray Reflectivity, Atomic Force Microscopy, Surface Plasmon Spectroscopy). In Chapter 4 the behaviour of fluorescing dyes at a planar metal-dielectric interface was investigated in Kretschmann configuration. The fluorescence intensity, angular distribution of the emission, and photobliching rate of fluorescing molecules placed at different separation distance to the gold interface were experimentally and theoretically evaluated. A perfect correlation between theory and experiment was found for a separation distance larger than 15 nm. Surprisingly, a clear discrepancy between measurement and experiment was determined at very close proximity to the gold layer, though experiments on the excitation lifetime of europium complex conducted by other researchers showed very good correlation to the theory. In order to clarify that, the problem was addressed on single molecule level which confirmed the results with an ensemble of molecules. One speculation on the reason for the discrepancy between the results described here and others results may imply that this is due to the stronger oscillator strength of fluorophore used in the current study (compared to the Europium complex which is phosphorescent) which leads to stronger interaction with the gold interface. Another reason could be the ultrasmooth gold interface used in experiments described here, since it is known that rough metal surfaces can lead to enhancement of the fluorescence. Moreover, it is known that the very elegant Langmuir-Blodgett deposition technique used in the experiments before, often leads to films with pinholes, defects and domains which will be a reason for inhomogeneous distribution of the dye in vertical direction. Although, the complete understanding of the effects described above might need further experimental and theoretical attention, this study is a significant contribution to the application of Surface Plasmon Fluorescence Spectroscpy as an analytical tool for detection of surface recognition reactions as well as in all processes were a fluorescing dye is used with a metal interface. The second part of this work was dedicated to gold nanoparticles and gold nanowires (Chapter 5). 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. Series of comparative tests unambiguously proved a successful surface modification expressed in a better pH stability and cyanide dissolution resistance. Then a new route for the synthesis of monolayer protected gold nanoparticles with size above 10 nm was established. The syntheses were conducted in aqueous medium as only HAuCl4 and 2-MSA were used, without employing any additional reduction agent. This new synthesis can be very useful in cell imaging, DNA labels, catalysts or optical sensors, applications where narrow size distribution is not required. At a particular molar ratio between the reagents this new synthesis resulted in gold nanowires. The synthetic procedure is simple, one step, conducted in aqueous medium and without the use of any additional surfactants. The length of the gold wires is in the order of micrometers and the cross section down to 15 nm. Surface analytical techniques such as SEM, TEM and AFM were used in order to clarify the structure and morphology of the wires. Conductivity measurements of a single wire proved its metallic properties. The suitability of the wires for nanomanipulation as well as the very high current density suggests their usefulness for application in nanoelectronic devises. The synthesis of nanowires in solution is also interesting from a point of view to reaching the gram scale production and their use as fillers, since the production of a composite conducting material will require 10 times less material if metal particles are exchanged with wires. 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. The optical constants of the gold nanoparticles were found to be strongly dependent n the separation distance to the gold interface. In an outlook, a next step of research involving the multilayered system described in Chapter 6 could be the deposition of fluorescing dyes around the gold nanoparticles. The plasmon field of the gold nanoparticles, excited by the surface plasmon field of the flat gold interface could lead to a modification of the emission rate of the fluorophore expressed in an enhanced emission. The direct consequence of that could be an improved sensitivity of the instrument. Another possible variation could be the deposition of a polymer spacer around the gold nanoparticles. This could happen in solution or on surface. Then the influence of the separation distance between the curved interface of the gold nanoparticles and a fluorescing dye can be investigated. Another approach can be the deposition of fluorophore between two gold nanoparticles or a gold nanoparticle and a flat gold interface. In this case the enhanced electromagnetic field between the two metal surfaces will impact on the radiative emission of the dye. This work is to be understood as a small step toward the understanding of the behaviour of fluorescing species in the vicinity of a metal interface. For complete revealing of the corresponding phenomena more work should be done in the future. Due to its complexity, the research should involve the efforts of interdisciplinary teams composed of scientists with diverse background. Zusammenfassung Heutzutage ist die Fluoreszenz-Spektroskopie eine verbreitete Methode in der biomedizinischen Forschung und die am meisten genutzte Methode in der medizinischen Diagnose, der DNA-Sequenzanalyse und der Genomforschung. Die Grundlagen der Fluoreszenz sind einschließlich der Faktoren, die die Emission beeinflussen, wohlverstanden (z. B. Quenching, Umwelteinflüsse, Resonanzenergietransfer und Rotationsenergie). Die Fluoreszenz-Spektroskopie wird zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von Makromolekülen und deren Wechselwirkung untereinander eingesetzt. Die Intensitäts-, Energietransfer- und Anisotropiemessung sind weit verbreitete Methoden in der DNAHybridisierungsmessung, der Arzneimittelentwicklung und der HIV-Analyse. Es ist bekannt, daß sich das Verhalten fluoreszierender Verbindungen in der Umgebung von metallischen Objekten verändert. Dies kann zur Abschwächung (ebene Metallgrenzfläche) oder Verstärkung (rauhe Metalloberfläche, Metallpartikel) der emittierten Fluoreszenz führen. Das Ziel dieser zukunftsweisenden Arbeit ist die Erforschung des Verhaltens eines Fluorophores in der direkten Umgebung einer Metalloberfläche, da das Verständnis des zugrunde liegenden Phänomens sehr wichtig für alle Prozesse ist, in denen fluoreszierende Farbstoffe an Metalle angrenzen (Solarzellen, LED´s) insbesondere für Anwendungen in der Sensorik. Die Ergebnisse dieser Arbeit können in zwei Abschnitte eingeteilt werden: Die experimentelle und theoretische Untersuchung der Fluoreszenz an ebenen Goldgrenzflächen und die Synthese und Oberflächenmodifizierung von Goldnanopartikeln und – nanodrähten. Abschließend wurden erste Untersuchungen zur Fluoreszenzintensität in der Umgebung komplexer Objekte durchgeführt. Zur Untersuchung der Fluoreszenz in Gegenwart metallischer Grenzflächen wurde ein definiertes Mehrlagensystem im nm-Maßstab dargestellt und experimentell untersucht. Eine sehr glatte Goldschicht wurde zusammen mit einer sich selbst anordnenden Monolage und einer schichtweisen Anordnung von Polyelektrolyten benutzt, um einen fluoreszierenden Farbstoff in einem kontrollierbaren Abstand von der Goldoberfläche anzuordnen. Die charakteristischen Eigenschaften (Schichtdicke, Rauhigkeit, optische Eigenschaften) dieser Schichten wurden mit verschiedenen Techniken (Kleinwinkel-Röntgenreflektivität, Raster- Kraft-Mikroskopie, Oberflächen-Plasmonenspektroskopie) untersucht. In Kapitel 4 wird das Verhalten fluoreszierender Farbstoffe auf einer flachen metallischdielektrischen Oberfläche in Kretschmann-Anordnung untersucht. In diesem Kapitel wurde die Intensität der Fluoreszenz, die Winkelverteilung der Emission und die Bleichungsquote von fluoreszierenden Molekülen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Goldoberfläche befinden experimentell und theoretisch untersucht. Die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Versuche stimmen ab einem Abstand von 15 nm überein. Überraschenderweise kommt es aber bei kürzeren Abständen zu Abweichungen zwischen der Theorie und dem experimentellen Ergebnis, obwohl Experimente mit den entsprechenden Europium-Komplexen über die Lebensdauer im angeregten Zustand eine gute Übereinstimmung zur Theorie ergeben. Um dieses Problem zu klären wurden auch einzelne Moleküle untersucht, die das vorherige Ergebnis aber bestätigten. Eine mögliche Ursache für die Diskrepanz zwischen den hier beschriebenen und den bisher bekannten Ergebnissen kann die stärkere Oszillator-Kraft der hier verwendeten Fluorophore (im Vergleich zu den phosphoreszierenden Europium-Komplexen) sein, die zu stärkeren Wechselwirkungen mit der Goldoberfläche führt. Eine weitere Ursache für die Abweichung von den bekannten Ergebnissen ist möglicherweise die hier benutzte sehr glatte Goldoberfläche, da bekanntermaßen rauhe Metalloberflächen zu einer Steigerung der Fluoreszenz führen. Ferner ist es bekannt, daß die früher benutzte Langmuir-Blodgett-Abscheide-Methode zu Oberflächen mit Löchern, Fehlern und Bereichen mit inhomogener Verteilung der Farbstoffe in senkrechter Richtung führt. Obwohl es zum vollständigen Verständnis der hier beschriebenen Effekte weiterer experimenteller und theoretischer Anstrengungen bedarf, ist diese Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Anwendung der Oberflächen-Plasmonen- Fluoreszenzspektroskopie als Analysenmethode für Reaktionen auf Oberflächen und für Vorgänge bei denen ein fluoreszierender Farbstoff an einer metallischen Grenzfläche benutzt wird. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Goldnanopartikeln und – nanodrähten (Kapitel 5). Zunächst wurde die physisorbierte Citrat-Hülle von Citrat-reduzierten Goldnanopartikeln gegen eine selbstorganisierte Monolage von 2-Mercaptobernsteinsäure ausgetauscht. Eine Reihe von Versuchen hat eindeutig bewiesen, daß diese Oberflächenmodifikation zu einer besseren pH - und Cyanidstabilität der Goldnanopartikellösung führt. Weiterhin wurde ein neuer Syntheseweg zur Darstellung monolagen-geschützter Goldnanopartikel (< 10 nm) gefunden. Die Darstellung erfolgt ohne Zugabe weiterer Reduktionsmittel im wäßrigen Medium aus Chlorgoldsäure und 2-Mercaptobernsteinsäure. Dieser neue Syntheseweg kann sich in der Zellabbildung, der DNA-Analyse, der Katalyse oder bei optischen Sensoren als nützlich erweisen, da hier keine engen Größenverteilungen benötigt werden. Bei einem bestimmten Molverhältnis zwischen den beiden Edukten erhält man bei dieser Synthese auch Goldnanodrähte. Die Synthese der Drähte verläuft im wässrigen Medium ohne Zugabe weiterer Detergentien in einem Reaktionsschritt. Die so entstandenen Drähte sind einige Mikrometer lang und der Querschnitt beträgt ca. 15 nm. Verschiedene Oberflächenanalysenmethoden wurden zur Aufklärung der Struktur und Morphologie der Drähte angewandt. Leitfähigkeitsmessungen an einem einzelnen Draht bestätigten seine metallischen Eigenschaften. Diese Drähte eignen sich aufgrund ihrer hohen Stromdichte sowohl für verschiedene Anwendungen in der Nanoelektronik als auch zur „Nanomanipulation“. Die Darstellung der Nanodrähte in wäßriger Lösung im Grammbereich bietet interessante Möglichkeiten für leitende Füllstoffe, da eine Mischung aus leitenden Materialien 10 mal weniger Material benötigt, falls Metallpartikel mit Drähten wechselwirken können. Zur Erforschung des Verhaltens von fluoreszierenden Farbstoffen in der Umgebung von komplexeren Metallobjekten wurde auf einer Goldoberfläche eine Schicht Goldnanopartikel aufgebracht, die aber von dieser Goldoberfläche durch eine Lage eines Polymers wohldefinierter Größe abgetrennt waren. Die Eigenschaften dieses neu synthetisierten Systems wurden durch Oberflächen- und optische Analysenmethoden charakterisiert. Die optischen Eigenschaften der Goldnanopartikel sind stark abhängig von der Distanz zur Goldoberfläche. Der nächste Schritt der Erforschung des in Kapitel 6 beschriebenen mehrschichtigen Systems wäre die Auftragung von fluoreszierenden Farbstoffen auf den Nanopartikeln. Das Plasmonenfeld der Nanopartikel, angeregt durch das Oberflächenplasmon der flachen Goldfläche, könnte zu einer Veränderung der Emissionsrate der Fluorophore führen, was sich durch eine verstärkte Emission ausdrücken würde. Die direkte Konsequenz hieraus wäre eine erhöhte Sensitivität dieses Systems. Eine weitere mögliche Variation dieses Systems wäre die Auftragung eines Polymers als Abstandshalter um die Goldnanopartikel, was sowohl in Lösung als auch direkt auf der Oberfläche möglich ist. Dann wäre es möglich, den Einfluß des Abstandes zwischen der Oberfläche der Goldpartikel und des fluoreszierenden Farbstoffes zu untersuchen. Möglich wäre auch eine Abscheidung der Fluorophore zwischen zwei Goldpartikeln oder zwischen einem Goldpartikel und der Goldoberfläche. In diesem Fall würde die Verstärkung des elektromagnetischen Feldes zwischen den beiden Metalloberflächen die Lichtemmision des Farbstoffes beeinflussen. Diese Arbeit soll ein kleiner Schritt zum Verständnis des Verhaltens von fluoreszierenden Verbindungen in der Nähe von metallischen Grenzflächen sein. Zum vollständigen Verständnis dieser Phänomene ist zukünftig noch viel Arbeit notwendig. Aufgrund ihrer Komplexität erfordert die Erforschung dieses Phänomens die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die in ein interdisziplinäres Team sowohl chemische als auch physikalische Erfahrung einbringen.