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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-378117
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.37811
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 September 2019 |
| Referee: | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Date of exam: | 14 September 2018 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis) |
| Keywords: | plasmon, nanostructured surfaces, (bio)sensor |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 37811 |
Abstract (English)
The thesis describes the fabrication, functionalizing and (bio)analytical applications of nanostructured surfaces based on plasmonic effects. In Chapter 1 a review of the physical requirements of plasmons and as well as design and fabrications concepts are provided with emphasis on nanostructured platforms. Sensor applications of plasmonic nanostructured surfaces are introduced. The aim of this ...
Abstract (English)
The thesis describes the fabrication, functionalizing and (bio)analytical applications of nanostructured surfaces based on plasmonic effects. In Chapter 1 a review of the physical requirements of plasmons and as well as design and fabrications concepts are provided with emphasis on nanostructured platforms. Sensor applications of plasmonic nanostructured surfaces are introduced. The aim of this work is outlined in Chapter 2 to investigate nanostructured gold surfaces in their sensing capabilities in SPR and utilizing the hot spots of such structures in other optical transducing techniques.
The fabrication of nanohole arrays with different hole sizes via a modified nanosphere lithography is reported in Chapter 3. Nanostructured surfaces were modified with reduced graphene oxide (rGO) as a thin receptor layer via spin-coating. In a comparison to a continuous film, nanohole arrays displayed a 250 - 350% higher shift in the SPR angle. The capabilities of nanohole arrays modified with rGO were investigated with the detection of the plasticizer diethyl phthalate in water. With the analysis of a small analyte binding to graphene via π-stacking on nanohole arrays with varying hole diameter, the effect of the plasmonic field on (bio)sensors was studied. For the nanohole array with a diameter-to-periodicity ratio of 0.43 roughly 12-fold enhancement of the maximum signal response was observed and a 10-times better LOD of ~20 nM was determined. The feasibility of the rGO-modified nanohole array as sensor platform was demonstrated with the analysis of environmental water samples without pre-treatment. Surprisingly the combination of the graphene with gold nanostructures resulted in further signal enhancement compared to continuous gold films. This effect can be assigned to an additional plasmonic enhancement by the 2D carbon nanomaterial itself.
Chapter 4 deals with a more detailed investigation of the graphene receptor layer. The modification and sensing properties of differently prepared graphene, which differ in flake size, number of layers and numbers of defects types was studied on nanostructured surfaces. A wet transfer method for chemical vapor deposition (CVD) graphene was introduced. The more homogenous and reproducible graphene films on nanohole arrays were yielded for CVD graphene when compared to rGO with Raman spectroscopy. The higher signal response for CVD graphene is attributed to less defects and a large uniform layer. A 7-fold lower LOD 0.9 μM for a CVD-modified nanohole array for the detection of adenine with SPR revealed the enhanced sensing performance.
In Chapter 5 the enhanced luminescence of NIR to UV upconversion at a nanostructured surface is described. An nanoengineered interface consisting of NaYF₄:Yb,Tm upconversion nanoparticles and a gold nanotriangle array was fabricated by a self-assembly method. Upconversion nanomaterials are known for low quantum efficiency which clearly hinders a wider impact of these materials in many applications. Hot spots of the nanostructured surface provided a local electromagnetic field enhancement, that improved the 4-photon upconversion process at 345 nm with an about six-times higher emission intensity. For UCNPs dispersed in solution, this emission is usually too weak to be used in any analytical application. Assembled as a nanoengineered interface a sensor for the detection of vitamin B12 in serum was constructed. A LOD of 0. 6 ± 0.2 nM was found. The strong enhancement in the UV emission at a very low laser density of 13 W·cm⁻² is outstanding and a very promising fact for the development of miniaturized point-of-care diagnostics.
Challenges of nanostructured surfaces are addressed in Chapter 6. Preliminary results of a designed transmission setup for nanostructured surfaces are presented. Nanohole arrays are capable of extraordinary optical transmission and can significantly improve (bio)sensors based on transmission. Future directions and perspectives of nanostructured surfaces are highlighted.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Fabrikation, Funktionalisierung und (bio)analytische Anwendungen von nanostrukturierten Oberflächen. Kapitel 1 gibt einen Überblick der physikalischen Voraussetzungen von Plasmonen sowie Design- und Fabrikations-Konzepte mit dem Schwerpunkt auf nanostrukturierte Plattformen. Sensorische Anwendungen dieser Strukturen werden vorgestellt. Die ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Dissertation beschreibt die Fabrikation, Funktionalisierung und (bio)analytische Anwendungen von nanostrukturierten Oberflächen. Kapitel 1 gibt einen Überblick der physikalischen Voraussetzungen von Plasmonen sowie Design- und Fabrikations-Konzepte mit dem Schwerpunkt auf nanostrukturierte Plattformen. Sensorische Anwendungen dieser Strukturen werden vorgestellt. Die wissenschaftliche Fragestellung dieser Arbeit wird in Kapitel 2 beschrieben. Nanostrukturierte Oberflächen sollen hinsichtlich ihrer sensorischen Eigenschaften mit SPR untersucht werden. Eine weitere mögliche Anwendung wäre das Ausnutzen der Hotspots dieser Strukturen mit anderen optischen signalübertragenden Techniken.
Die Herstellung von Nanohole Arrays mit unterschiedlichen Lochgrößen über eine Nanokugel-Lithographie wird in Kapitel 3 beschrieben. Über Rotationsbeschichtung werden die nanostrukturierten Oberflächen mit reduziertem Graphenoxid (rGO), das eine dünne Rezeptorschicht bildet, modifiziert. Im Vergleich zu einem kontinuierlichen Film, zeigen Nanohole Arrays eine 250 - 300% größere Verschiebung des SPR Winkels. Die Einsatzmöglichkeit von rGO-modifizierten Nanohole Arrays wurde mit der Detektion des Weichmachers Diethylphthalat in Wasser gezeigt. Der Effekt des plasmonischen Feldes auf (Bio)sensoren wurde durch die Veränderung der Lochgröße mit der Analyse der Bindung eines kleinen Moleküls über π-π-Wechselwirkungen an Graphen untersucht. Ein Nanohole Array mit einem Durchmesser-zu-Periodizität-Verhältnis von 0.43 zeigte ungefähr eine 12-fache Verstärkung in der maximalen Signalantwort und eine 10-fach geringere Nachweisgrenze wurde festgestellt. Die Umsetzbarkeit der rGO-modifizierten Nanohole Arrays als Sensorplattform wurde mit einer Analyse von nicht vorbehandelten ökologischen Wasserproben untersucht. Überraschenderweise, zeigte die Kombination von Graphen und Gold Nanostrukturen eine weitere Signalverstärkung im Vergleich zu einem kontinuierlichen Gold Film. Dieser Effekt lässt sich einer zusätzlichen plasmonischen Verstärkung durch das 2D-Kohlenstoff-Nanomaterial zuordnen.
Kapitel 4 untersucht die Graphen Rezeptorschicht im Detail. Die Modifikations- und Sensor-Eigenschaften von unterschiedlich hergestelltem Graphen, welche in ihrer Flockengröße, der Anzahl der Lagen und der Anzahl an Defekten variieren, wurden auf nanostrukturierten Oberflächen untersucht. Durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestelltes Graphen wurde über eine Nasstransfer Methode aufgebracht. Ein homogenerer und reproduzierbarer Graphen Film auf Nanohole Arrays wurde für CVD Graphene gefunden, durch einen Vergleich zu rGO mittels Raman Spektroskopie. Die gesteigerte Signalantwort für CVD Graphene entsteht durch weniger Defekte und eine größere uniforme Schicht. Eine 7-fach kleinere Nachweisgrenze für CVD-modifizierte Nanohole Arrays für die Detektion von Adenine mit SPR demonstrierte die verstärkte sensorische Leistungsfähigkeit.
Die erhöhte Lumineszenz der NIR zu UV Aufkonvertierung an nanostrukturierten Oberflächen wird in Kapitel 5 beschrieben. Eine nanokonstruierte Schnittstelle bestehend aus NaYF₄:Yb,Tm aufkonvertierenden Nanopartikeln (UCNPs) und einem Gold Nanotriangle Array wurde über Selbstorganisation hergestellt. Die UCNPs zeigen eine geringe Quantenausbeute, welche eine breitere Auswirkung dieser Materialien in vielen Anwendungen deutlich erschwert. Eine lokale Verstärkung des elektromagnetischen Feldes entsteht an den Hotspots der nanostrukturierten Oberfläche. Diese führte zu einer ca. 6-fach größeren Emissionsintensität des 4-Photonen aufkonvertierenden Prozesses bei 345 nm. Für in Lösung dispergierte UCNPs ist diese Emission normalerweise zu schwach um für analytische Anwendungen verwendet zu werden. Die zusammengeführte nanokonstruierte Schnittstelle wurde verwendet, um einen Sensor für Vitamin B12 zu entwickeln. Eine Nachweisgrenze von 0.6 ± 0.2 nM wurde festgestellt. Die große Verstärkung der UV Emission bei einer sehr geringen Laserleistungsdichte von 13 W·cm⁻² ist hervorragend und eine vielversprechende Gegebenheit für die Entwicklung von miniaturisierter Vor-Ort- Diagnostik.
Kapitel 6 erörtert in einer abschließenden kritischen Diskussion die Herausforderungen an nanostrukturierte Oberflächen. Erste Ergebnisse, die mit einem selbst designten Transmission Messplatzes für nanostrukturierte Oberflächen erzielt wurden, werden vorgestellt. Nanohole Arrays zeigen eine außerordentliche optische Transmission und können (Bio)sensoren, die auf Transmission basieren, verbessern. Es wird ein Ausblick gegeben, als auch die Perspektiven von nanostrukturierten Oberflächen erörtert.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 19:08
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