The interaction of light and matter at nanoscale is the subject of study of this dissertation. Particularly, the coupling of light to surface plasmons and their applications in the fields of spectroscopy and sensing is the focus of this work. In terms of spectroscopy, the simple reason of using light to study the chemical structures of different materials is the fact that the energy of light lies in the range of vibrational and electronic transitions of matter. Further, the ability to squeeze light to subwavelength dimensions opens up new possibilities of designing nano-optical devices. In this work we explore surface plasmons for two major applications: (i) Directivity enhanced Raman spectroscopy and (ii) Chemical/biological sensing. Here a new enhancement phenomenon has been demonstrated experimentally in regards to Raman spectroscopy. Typically, Raman enhancement is considered in terms of local fields only. Here we show the use of directive nanoantennas to provide additional enhancement of two orders of magnitude. The nanoantenna design is optimal in the sense that almost all of the scattered light is coupled into the numerical aperture of the collecting lens. It is shown that the additional enhancement from directivity pushes the sensitivity to single molecule regime. Further, the out of plane radiation and simplicity of the design makes it an ideal candidate for use with typical commercial microscope setups. Extra ordinary transmission through nanohole arrays in metallic films is studied for refractive index sensing. Bulk resolution of 6×10-7 is demonstrated by optimizing array dimensions, wavelength of operation, noise reduction and consideration of sensitivity of the detecting CCD camera. Self-assembled nanostructures are investigated for spectroscopic applications. Time dependent studies of nanorods assembled in end-to-end and side-by-side configurations are conducted. The end-to-end configuration results in higher local field enhancements whereas; the side-by-side configuration shows a reduction in local fields because of the cancellation of radial field components between the neighbouring nanorods. It should be noted that higher fields are desirable for Raman spectroscopy. Grating structures have been analysed using reduced coupled mode theory. In most cases, only three lowest order modes prove to be sufficient for accurate description of the system response. Here we present design guidelines for broadband operation and optimization of high quality factor resonators. Finally the complex reflection coefficient from arbitrary terminated nanorods has been investigated. Phase of reflection plays an important role in the determination of resonance wavelength of nanoantennas. It is shown that the localized surface plasmon resonance of nanoparticles can be considered in terms of propagating surface plasmons along a nanorod of similar geometry where the length of the nanorod approaches zero accompanied with π degrees of phase of reflection. The contributions made in this work can prove useful in the fields of analytical chemistry and biomedical sensing. The directive nanoantenna can find applications in a number of areas such as light emitting devices, photovoltaics, single photon sources and high resolution microscopy. Our work related to EOT based sensing is already approaching the resolution of commercially available refractive index sensors with the added advantage of multiplexed detection. / Graduate

Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiert. / Metallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed.

L ’intérêt des nano-particules pour le domaine de l ’optique visible a été suscité lors du premier rapport rédigé par Faraday en 1857 et qui a initié les bases de la production de nanoparticules métalliques en vue de leur propriété optiques inattendues (coloration des solutions). Plus récemment, le contrôle et le guidage de la lumière basés sur l’excitation de résonance plasmon dans les nanostructures a permis beaucoup d’applications liées à la vie quotidienne et impliquant la lumière. La résonance plasmonique de structures métalliques estun phénomène essentiel qui conduit à des propriétés optiques uniques à travers l’interaction de la lumière avecles électrons libres du métal. L’excitation de la résonance plasmon localisé (LSPR) permet d’exalter localement l’énergie électromagnétique comme dans le cas des nano-antennes mais aussi d’acheminer la lumière à travers des canaux de dimensions sub-l sur de grandes distances distances grâce à l’excitation du Plasmonde Surface Propagatif (PSP). Au cours de cette thèse, nous avons étendu un algorithme existant afin de calculer la réponse optique (sections efficaces de diffusion et d’absorption) de NPs ayant une forme géométrie quelconque. Ce type de NP anisotrope (vis-à-vis de la polarisation incidente) peut présenter à la résonance plasmonique une section efficace de diffusion 25 fois supérieure à celle géométrique. De plus, une étude systématique importante a été effectuée afin d’optimiser la géométrie de tels Nps.En ce qui concerne la PSP qui est impliqué dans la transmission exaltée à travers les matrices d’ouvertures annulaires AAA, nous avons entrepris une étude systématique des propriétés de l’excitation du mode particul particulier sans coupure de ces nano - guides. Il s’agit du mode Transverse Electrique et Magnétique (TEM). Une étude numérique complète est alors effectuée pour correctement concevoir la structure avant qu’elle ne soit expérimentalement fabriquée et caractérisée. Pour palier certaines contraintes expérimentale, une structure inclinée est proposée et étudiée dans le cas d’un métal parfaitement conducteur. Nous avons démontrée numériquement et analytiquement certaines propriétés intrinsèques de la structure montrant un coefficient de d’au moins 50% d’un faisceau incident non polarisé indépendamment des conditions d’éclairage (polarisation,angle et plan d’incidence). Lorsque le mode TEM est excité, le flux laminaire de l’énergie à travers la structure présente une déviation géante sur de très petites distances inférieures à la longueur d’onde. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être considérés comme une contribution importante à la compréhension du phénomène de transmission exaltée basé sur l’excitation de ce type de mode guidé. / The release of the rst report by Faraday in 1857 set the foundation of the production of metal nanoparticlesand their unexpected optical properties (coloring). More recently, controlling and guiding light via plasmonicresonance in nanostructures enable a lot of applications affecting everyday life that involves light. Plasmonresonance of metallic structures is a key phenomenon that allows unique optical properties through the interactionof light with the free electrons of the metal. The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) leads to turn-on large local enhancements of electromagnetic energy as within antennas or to routelight as waveguide to desired region with high transmission through the excitation of Propagating SurfacePlasmon (PSP). During this thesis, we have developed an existing algorithm in order to calculate the opticalresponse of NPs of any shape. We have especially determined the localized energy enhancement factor interm of optical response of nano-antenna. This anisotropic (polarization dependent) NPs type can feature, atplasmon resonance, scattering efciency factor higher than 25. Moreover, an important systematic study hasbeen performed in order to optimize design of such NPs.Concerning the PSP that are involved in the enhanced transmission through Annular Aperture Arrays (AAAs),we systematically study the properties of the excitation of the peculiar Transverse ElectroMagnetic (TEM) guidedmode inside such nano-apertures. A complete numerical study is performed to correctly design the structurebefore it is experimentally characterized. For reasons associated to fabrication constraints and efciency,a slanted AAA made in perfectly conducting metal is proposed and studied. We numerically and analyticallydemonstrate some intrinsic properties of the structure showing a transmission coefcient of at least 50%ofan un-polarized incident beam independently of the illumination configuration (polarization, angle, and planeof incidence). At the TEM peak transmission, the laminar flow of the energy through the structure can exhibitgiant deviation over very small distances ( ). The results presented in this thesis could be considered as animportant contribution to the understanding of the enhanced transmission phenomenon based on the excitationof guided modes

Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiert. / Metallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed.

Les plasmons polaritons de surface (SPPs) jouent un rôle central en nanophotonique, parce que ce sont des modes optiques qui peuvent être confinés dans l’espace à l’échelle de 10 nm et dans le temps à l’échelle de 10 fs. L’excitation électrique des plasmons polaritons de surface par effet tunnel inélastique peut être ultrarapide et localisée, ce qui permet de développer une nanosource pour la nanophotonique intégrée en profitant pleinement du potentiel des polaritons plasmon de surface. Pourtant, ce processus est très inefficace avec un rendement de conversion typique de 10-7~10-5 plasmon par électron.Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons une étude théorique et expérimentale qui vise à augmenter l’émission de plasmons de surface par effet tunnel inélastique avec une nano-antenne résonante. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire l’émission de lumière à partir d’une jonction à effet tunnel en utilisant le théorème de fluctuation-dissipation. Nous proposons deux stratégies pour augmenter le rendement de conversion électron-plasmon. Nous introduisons un mode d’antenne résonnante confiné à l’échelle du nanomètre afin de renforcer le couplage entre le courant et le champ. En outre, nous introduisons l’hybridation d’un mode plasmonique metal/isolant/metal confiné et d’un mode d’antenne. Nous prédisons théoriquement que 30% de l’énergie émise par un dipôle est sous forme de SPP pour une longueur d’onde de travail de 800nm et une épaisseur d’isolant de 1 nm.Nous avons développé les processus de fabrication pour réaliser les antennes à effet tunnel en utilisant la configuration Al/AlOx/Au. L’antenne fabriquée présente une fonctionnalité robuste concernant les propriétés électriques et optiques. Nous montrons l’antenne permet de contrôler le spectre d’émission SPP, la polarisation d’émission SPP et renforcer l’efficacité des émissions de SPP de plus de 3 ordres de grandeur. La puissance totale émise sous forme de SPP est de l’ordre de 10 pW, quatre ordres de grandeur de plus que la puissance typique émise par une pointe de microscope à effet tunnel. / Surface plasmon polaritons (SPPs) plays a central role in nanophotonics because they are optical modes that can be confined in space at the 10 nm scale and in time at the 10 fs scale. Electrical excitation of surface plasmon polaritons by inelastic tunneling electrons has the potential to be fast and localized so that it offers the opportunity to develop a nanosource for on-chip nanophotonics taking advantage of the full potential of surface plasmons polaritons. However, inelastic tunneling is rather inefficient with a typical electron-to-plasmon conversion efficiency of 10-7~10-5. In this thesis manuscript, we present a study for enhancing surface plasmon emission by inelastic tunneling electrons with a resonant nanoantenna. It consists of theoretical and experimental investigations. First, we have developed a theoretical model to describe the light emission from a tunnel junction based on the fluctuation-dissipation theorem. Second, we have theoretically demonstrated two strategies to improve the antenna SPP efficiency thus aiming to enhance electron-to-plasmon conversion efficiency. We introduce a resonant antenna mode with a sub-nanometer gap in order to enhance the coupling between the inelastic current and the the mode. Furthermore, we introduce the hybridization in a nanopatch antenna between a gap mode and an antenna mode to launch SPPs: we theoretically predict that 30% of the power emitted by a dipole is converted into SPP (working wavelength at 800nm) with a 1nm gap thickness. Third, we have developed the fabrication procedures to realize antenna tunnel junctions based on the Al/AlOx/Au configuration. The fabricated antenna junction shows a robust functionality both regarding electrical and optical properties. The antenna junction is demonstrated to control the SPP emission spectrum, the SPP emission polarization and enhance the SPP emission efficiency by over 3 orders of magnitude. The total SPP power emitted is in the range of 10 pW, four orders of magnitude larger than the typical fW power emitted by a scanning tunneling tip junction.

This thesis exploits so called “Optical Eigenmodes” (OEi) in the focal plane of an optical system. The concept of OEi is introduced and the OEi operator approach is outlined, for which quadratic measures of the light field are expressed as real eigenvalues of an Hermitian operator. As an example, the latter is employed to locally minimise the width of a focal spot. The limitations of implementing these spots with state of the art spatial beam shaping technique are explored and a selected spot with a by 40 % decreased core width is used to confocally scan an in focus pair of holes, delivering a two-point resolution enhanced by a factor of 1.3. As a second application, OEi are utilised for fullfield imaging. Therefore they are projected onto an object and for each mode a complex coupling coefficient describing the light-sample interaction is determined. The superposition of the OEi weighted with these coefficients delivers an image of the object. Compared to a point-by-point scan of the sample with the same number of probes, i.e. scanning points, the OEi image features higher spatial resolution and localisation of object features, rendering OEi imaging a compressive imaging modality. With respect to a raster scan a compression by a factor four is achieved. Compared to ghost imaging as another fullfield imaging method, 2-3 orders of magnitude less probes are required to obtain similar images. The application of OEi for imaging in transmission as well as for fluorescence and (surface enhanced) Raman spectroscopy is demonstrated. Finally, the applicability of the OEi concept for the coherent control of nanostructures is shown. For this, OEi are generated with respect to elements on a nanostructure, such as nanoantennas or nanopads. The OEi can be superimposed in order to generate an illumination of choice, for example to address one or multiple nanoelements with a defined intensity. It is shown that, compared to addressing such elements just with a focussed beam, the OEi concept reduces illumination crosstalk in addressing individual nanoelements by up to 70 %. Furthermore, a fullfield aberration correction is inherent to experimentally determined OEi, hence enabling addressing of nanoelements through turbid media.

Ma thèse concerne le développent de systèmes ultra compactes auto-alignés et à faible coût intégréssur fibre optique monomode pour la collection fibrée de la luminescence locale. Dans un premiertemps, un axicon fibré auto-aligné (AXIGRIN) est proposé permettant de fournir la première imagerierésolue ultra-compacte fibrée de quantum dots PbS infrarouges. Ensuite, la première nano-imagerie(système entièrement fibrée) de quantum dots PbS uniques est réalisée à l’aide d’une nano-antenneà ouverture bowtie intégrée sur pointe fibrée. Enfin, le concept d’≪antenne cornet≫ nano-optiqueest proposé pour le couplage direct et efficace de la luminescence excitée par rayons X à une fibreoptique, dans le but de générer les premiers capteurs et dosimètres fibrés à rayons X. / My thesis is devoted to develop ultra-compact, plug-and-play and low-cost single-mode optical fibersystems for in-fiber luminescence collection. First, a new fiber self-aligned axicon is proposed toprovide the first resolved infrared fluorescence imaging of PbS quantum dots in far field. Then,all-fiber near-field imaging of single PbS quantum dots is achieved by double resonance bowtienano-aperture antenna (BNA) with nanometer resolution. Finally, the concept of fiber nano-opticalhorn antenna is proposed for in-fiber X-ray excited luminescence out-coupling, with the purpose ofgenerating the first generation of fiber X-ray sensors and dosimeters

Caractériser la fonction des protéines est crucial pour notre compréhension des mécanismes moléculaires de la vie, des maladies, et aussi pour inspirer de nouvelles applications en bionanotechnologie. Pour y arriver, il est nécessaire de caractériser la structure et la dynamique de chaque état occupé par la protéine durant sa fonction. La caractérisation expérimentale des états transitoires des protéines représente encore un défi majeur parce que les techniques à haute résolution structurelle, telles que la spectroscopie RMN et la cristallographie aux rayons X, peuvent difficilement être appliquées à l’étude des états de courte durée. De plus, les techniques à haute résolution temporelle, telles que la spectroscopie de fluorescence, nécessitent généralement une chimie complexe pour introduire des fluorophores à des endroits spécifiques dans la protéine. Dans cette thèse nous introduisons l’utilisation des nanoantennes fluorescentes en tant que nouvelle stratégie pour détecter et signaler les changements de conformation des protéines via des interactions non covalentes entre des fluorophores spécifiques et la surface de la protéine. En utilisant des expériences et des simulations moléculaires, nous démontrons que des fluorophores chimiquement divers peuvent se lier et être utilisés pour sonder différentes régions d’une enzyme modèle, la phosphatase alcaline (PA). Ces nanoantennes peuvent être fixées directement aux protéines ou utilisées à l'aide du système de fixation simple et modulaire, le complexe biotine-streptavidine (SA), qui permet un criblage rapide et efficace de la nanoantenne optimale tant dans sa composition que sa longueur. Dans le cas de la PA, nous montrons que nos nanoantennes permettent la détection et la caractérisation des conformations distinctes incluant les changements conformationnels nanoscopiques produisant durant la catalyse du substrat. Nous démontrons également que les signaux fluorescents émis par la nanoantenne peuvent également permettre de caractériser la cinétique enzymatique d’une protéine en une seule expérience tout en incluant la détermination des paramètres « Michaelis-Menten » de ses substrats et inhibiteurs. Nous avons également exploré l'universalité de la stratégie ces nanoantennes fluorescentes en utilisant une autre protéine modèle, la Protéine G et son interaction avec les anticorps, et avons démontré son utilité pour mettre au point un essai permettant de détecter les anticorps. Ces nanoantennes simples et faciles à utiliser peuvent être appliquées pour détecter et analyser les changements conformationnels de toutes tailles et nos résultats suggèrent qu'elles pourraient être utilisées pour caractériser n’importe quel type de fonction. / The characterisation of protein function is crucial to understanding the molecular mechanisms of life and disease, and inspires new applications in bionanotechnology. To do so, it is necessary to characterise the structure and dynamics of each state that proteins adopt during their function. Experimental study of protein transient states, however, remains a major challenge because high-structural-resolution techniques, including NMR spectroscopy and X-ray crystallography, can often not be directly applied to study short-lived protein states. On the other hand, high-temporal-resolution techniques, such as fluorescence spectroscopy, typically require complicated site-specific labelling chemistry. This thesis introduces the use of fluorescent nanoantennas as a new strategy for sensing and reporting on protein conformational changes through noncovalent dye-protein interactions driven by a high local concentration. Using experiments and molecular simulations, we first demonstrate that chemically diverse dyes can bind and be used to probe different regions of a model enzyme, intestinal alkaline phosphatase (AP). These nanoantennas can be attached directly to proteins or employed using the simple and modular biotin-streptavidin (SA) attachment system, which enables rapid and efficient screening for high sensitivity by tuning their length and composition. We show that these nanoantennas enable the detection and characterisation of distinct conformational changes of AP, including nanoscale conformational changes that occur during substrate catalysis. We also show that the fluorescent signal emitted by the nanoantenna enables complete characterisation of enzyme kinetics in one experiment, including determination of Michaelis-Menten parameters of substrates and inhibitors of AP. We then explored the universality of the nanoantenna strategy by using a different model protein system. Protein G was shown to interact with antibodies, using a rapid screening strategy for antibody detection. These effective and easy-to-use nanoantennas could potentially be employed to monitor various conformational changes, and our results offer potential for characterising various protein functions.