Größen- und Strukturabhängigkeit der optischen Eigenschaften von DNA-Goldnanopartikel-Netzwerken

Linn, Malte Jonathan; von Plessen, Gero; Simon, Ulrich

doi:HT018898856

Größen- und Strukturabhängigkeit der optischen Eigenschaften von DNA-Goldnanopartikel-Netzwerken = Dependence of the optical properties of DNA-gold-nanoparticle networks on their size and internal structure

Linn, Malte Jonathan

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Malte Jonathan Linn aus Bremen

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (x, 242 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
von Plessen, Gero (Thesis advisor) ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-08-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-004343
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/566341/files/566341.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/566341/files/566341.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Edelmetallnanopartikel haben in den Nanowissenschaften bzw. in der Nanotechnologie Anwendungen gefunden, die darauf beruhen, dass diese Partikel bei Anregung mit sichtbarem bzw. infrarotem Licht einzigartige optische Eigenschaften aufweisen. Dazu zählen neben einer großen lokalen Feldverstärkung vor allem eine resonant überhöhte Lichtstreuung und -absorption. Gerade Goldnanopartikel eignen sich wegen ihrer Biokompatibilität und vielfältigen Oberflächenchemie besonders für den Einsatz als Grundbausteine für Bio-Nanohybrid-Systeme, die ein großes Anwendungspotenzial in der Nanomedizin und der Biodiagnostik bzw. Bioanalytik besitzen. Die starke Lichtabsorption von Goldnanopartikeln ermöglicht eine effiziente und hochlokale Einkopplung von Lichtenergie in Form von Wärme in ein solches System. Dadurch ist es möglich, temperatursensitive biomolekulare Reaktionen berührungslos zu steuern. Da die optischen Eigenschaften von Goldnanopartikeln bzw. Nanopartikelsystemen stark durch ihre Größe, Struktur und Umgebung bestimmt sind, können photothermisch kontrollierte Beeinflussungen der Bio-Nanohybrid-Systeme optisch nachverfolgt werden. Ein prominentes Beispiel für solche Probensysteme sind DNA-Goldnanopartikel-Netzwerke, in denen Goldnanopartikel durch doppelsträngige DNA-Moleküle miteinander vernetzt sind. Diese Netzwerke lassen sich photothermisch zwischen unterschiedlichen Zuständen schalten, indem die DNA-Doppelstränge durch Erwärmung dehybridisiert werden und somit die Netzwerke dissoziieren. Aufgrund der Selbstassemblierungsfähigkeit der DNA-Stränge bilden sich bei Abkühlung erneut Netzwerke aus. Diese Dissertation widmet sich der Fragestellung, inwiefern die optischen und photothermischen Eigenschaften unterschiedlicher DNA-Goldnanopartikel-Netzwerke durch ihre Größe und ihre interne Struktur beeinflusst werden. Mit spektroskopischen Methoden werden dazu die Lichtstreu- und Extinktionscharakteristika von Netzwerken unterschiedlicher Größen und Zusammensetzungen experimentell bestimmt. Die mit zunehmender Netzwerkgröße ansteigende Lichtstreuung sowie die gleichzeitige spektrale Verschiebung und Verbreiterung der gemessenen Resonanzkurven dienen der spektroskopischen Detektion der Netzwerkdissoziation mit einem und zwei Dissoziationsübergängen. Dabei zeigt die durch Dauerstrich-Laserbestrahlung induzierte photothermische Temperaturerhöhung in diesen Netzwerken eine starke Korrelation mit der Netzwerkgröße. Exakte elektrodynamische Rechnungen in Kombination mit numerischen Wärmeleitungssimulationen bestätigen die experimentellen Ergebnisse. Die DNA-Goldnanopartikel-Netzwerke, die aus bis zu einigen tausend Partikeln bestehen können, besitzen neuartige optische Eigenschaften, deren Ausprägung stark von der Anregungswellenlänge abhängt. Mit Hilfe der berechneten elektrischen Feldverteilung in den Netzwerken lässt sich zeigen, dass sich, abhängig von Netzwerkgröße und Anregungswellenlänge, stehende Lichtwellen in den Netzwerken ausbilden können. Die räumliche Verteilung der Knoten und Bäuche dieser stehenden Wellen steht in direktem Bezug zu dem ortsaufgelösten Absorptionsvermögen der Partikel in den Netzwerken. Weiterhin können außerhalb der Netzwerke räumlich konzentrierte Lichtbündelungen, sogenannte photonische Nanojets, auftreten. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die detaillierte Untersuchung von Wärmetransportphänomenen. Durch die Verwendung von interferometrischen Methoden werden neben der experimentellen Bestimmung des photothermisch induzierten Temperaturprofils in einer wässrigen Goldnanopartikel-Suspension eine Untersuchung des Einsetzens von konvektiven Effekten auf der Millisekunden-Skala quantitativ durchgeführt. Der Einfluss von Konvektionsströmungen zeigt sich ebenfalls in zeitaufgelösten Messungen der Netzwerkdissoziation bei Dauerstrich-Laserbestrahlung in Abhängigkeit von der Laserleistung.

Noble-metal nanoparticles are widely used in the field of nanoscience and nanotechnological applictions. When irradiated with visible or infrared light, these particles exhibit unique optical properties. The most important features are a strong local field enhancement and resonantly enhanced light-scattering and light-absorption. Especially, gold nanoparticles are widely used for therapeutic and diagnostic applications in nanomedicine and bionanoscience, since they are biocompatible and enable a diverse surface chemistry. Therefore, gold nanoparticles are the basic elements for bio-nano-hybrid systems. The strong light absorption of gold nanoparticles allows an efficient and localized deposition of light energy in terms of heat into such a system. This enables the remote control of temperature sensitive biomolecular reactions. Since the optical properties of gold nanoparticles or rather nanoparticle systems is governed by their size, internal structure and their direct environment, photothermally induced changes in bio-nano-hybrid systems can be monitored optically. A prominent example of such sample systems are DNA-gold-nanoparticle networks, where the gold nanoparticles are linked by double-stranded DNA. These networks can be switched between different states, by heating and thus dehybridizing the DNA double-strands into single strands. The subsequent network dissociation is reversible upon cooling.This thesis is devoted to the question how the size and internal structure of different DNA-gold-nanoparticles influences their optical and photothermal properties. Spectroscopic methods are used to determine the characteristic light scattering and extinction properties of networks with different sizes and morphologies. The networks' ability to scatter light increases with increasing network size. Additionally, the measured resonance curves are spectraclly shifted and broadened with increasing network size. These phenomena are used to detect the network dissociation of networks with one and two transitions spectroscopically. Doing so, the photothermally induced temperature rise inside the networks, when irradiated with continuous wave laser light, is found to rise with both laser intensity and network size. By using exact electrodynamic caluclations together with numerical heat transport calculations, the experimental findings can be confirmed qualitatively. The DNA-gold-nanoparticle networks, consisting of up to thousands of particles, show new, wavelength-dependent optical phenomena: The calculated electric field-distribution inside the networks shows the development of standing light waves. The spacial positions of the nodes and antinodes of these standing waves relates directly to the positions of low and high absorption inside the network. Further, narrow, high-intensity light beams, so-called photonic nanojets, can arise behind the networks. Another main emphasis of this work is the detailed analysis of heat transport phenomena. By using interferometric methods, the photothermally induced temperature profile inside a nanoparticle suspension is obtained. Also, the onset of convective effects in such solutions is studied and quantified. Besides, the influence of convective flows has a strong influence on time-resolved measurements of the network dissociation process under continuous wave laser irradiation.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)