Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung einzelner Edelmetallnanopartikel-Cluster für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (engl. surface-enhanced Raman scattering; SERS). In Clustern treten stark lokalisierte Regionen mit sehr hohen Feldverstärkungen auf (engl. hot spots), die den SERS-Effekt extrem verstärken. In der Regel werden Metallnanopartikel in kolloidaler Suspension untersucht, so dass nur Aussagen über das gesamte Kolloid und nicht über einzelne Cluster getroffen werden können. Für die Identifizierung von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen wurden in dieser Arbeit daher einzelne Cluster optisch und elektronenmikroskopisch charakterisiert. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt neue Ansätze zur Trennung von glasverkapselten SERS-Nanopartikel-Clustern mit Hilfe der Dichtegradientenzentrifugation sowie die Etablierung einer modifizierten Synthesevorschrift zur Herstellung von monodispersen Silbernanopartikeln. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der optischen Charakterisierung einzelner SERS-Cluster und den dafür notwendigen experimentellen Umbauten eines bestehenden Versuchsaufbaus. Anschließend wird die oberflächenverstärkte Raman-Streuung von SERS-Clustern in Abhängigkeit der Polarisation gemessen und die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (engl. localized surface plasmon resonance; LSPR) von Nano- und Mikrostrukturen bestimmt.

In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene plasmonisch aktive Kern/Schale- Nanopartikel synthetisiert, experimentell und theoretisch charakterisiert und in analytischen Anwendungen der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. surface-enhanced Raman scattering, SERS) eingesetzt. Es werden die optischen Eigenschaften von Gold/Silber-Nanoschalen mit durchstimmbaren Plasmonbanden behandelt. Motivation dafür ist die Frage nach optimalen SERS-Markern für die rote Laseranregung (λ = 632.8 nm). In SERS-Anwendungen gibt es die Möglichkeit mehrere Marker-Moleküle auf die Oberfläche der Nanopartikel aufzubringen, um so eine erhöhte Multiplexing-Kapazität zu generieren. Diese Option der gemischten Monolagen wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Es werden SERS-Marker-Konzepte für die rote Laseranregung basierend auf einzelnen Nanopartikeln gezeigt. Außerdem wird dargestellt, inwieweit sich durch die Anordnung von Nanopartikeln in allen drei Raumdimensionen neue SERS-Marker- Konzepte mit sehr guten plasmonischen Eigenschaften realisieren lassen. In den oben beschriebenen Kapiteln übernehmen Nanopartikel die Rolle des SERS-Substrats für den selektiven Nachweis eines bestimmten Zielmoleküls (z.B. Antigens). Neben diesen Anwendungen können Nanopartikel jedoch auch noch als SERS-Substrat für die markierungsfreie Detektion von Analytmolekülen eingesetzt werden. In dieser Dissertation wird die Herstellung, Charakterisierung und der Einsatz eines integrierten SERS-Substrats für die kombinierte Festphasensynthese und Analytik mittels plamonisch aktiver Gold/Glas-Kern/Schale-Nanopartikel auf Harz-Mikrokugeln behandelt.

Die Charakterisierung der Protein-Nanopartikel-Wechselwirkungen in komplexen biomolekularen Systemen wie einer lebenden Zelle ist für die Pharma-, Medizin- und Umweltforschung von entscheidender Bedeutung. In solchen biomolekularen Systemen adsorbieren Proteine leicht auf der Oberfläche von Nanopartikeln, die die Proteinkorona bilden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der Proteinkorona in lebenden Zellen, wobei verschiedene analytische Ansätze kombiniert werden. Experimente mit oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) an reinen Proteinlösungen zeigten die Konzentrationsabhängigkeit der Protein-Gold-Nanopartikel-Wechselwirkungen, die zu unterschiedlichen SERS-Spektren führten und ermöglichten die Bestimmung von Proteinsegmenten, die an Citrat-stabilisierte Gold-Nanopartikel binden. In SERS-Experimenten mit lebenden Zellen wurde die Anwesenheit von Proteinfragmenten in der innersten Schicht der Proteinkorona, die als harte Proteinkorona bezeichnet wird, festgestellt. Eine analytische Methode, die Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese und Hochleistungs-Flüssigchromatographie-gekoppelte Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie kombiniert, wurde entwickelt, um die Bestandteile der Hartproteinkorona zu identifizieren. Die Proteomics-, SERS- und Cryo-Soft-X-Ray-Nanotomographiedaten, wobei letztere Informationen über die dreidimensionale Ultrastruktur der Zelle liefern, zeigen den Aufnahmemechanismus, die Verarbeitung, die Akkumulationsstelle, die molekulare Umgebung und die induzierten zellulären Reaktionen internalisierter Goldnanopartikel. Diese Arbeit validiert die Verwendung von SERS bei der Analyse der Proteinkorona in der Lösung von Modellproteinen und in lebenden Zellen und präsentiert eine geeignete Methode zur Analyse der unveränderten harten Proteinkorona, die in lebenden Zellen gebildet wird. / The characterization of the protein-nanoparticle interactions in complex biomolecular systems such as a living cell is vital for pharmaceutical, medical, and environmental research fields. In such biomolecular systems, proteins readily adsorb on the surface of nanoparticles forming the protein corona. This thesis focuses on the characterization of the protein corona in living cells combining different analytical approaches. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) experiments on pure protein solutions revealed the concentration dependence of the protein-gold nanoparticle interactions resulting in different SERS spectra, and allowed for the determination of protein segments binding to citrate-stabilized gold nanoparticles. In live cell SERS experiments, the presence of protein fragments in the innermost layer of the protein corona, called the hard protein corona, was revealed. An analytical method combining sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and high-performance liquid chromatography-coupled electrospray ionization mass spectrometry was developed to identify the constituents of the hard protein corona. The proteomics, SERS, and cryo soft X-ray nanotomography data, the latter providing information of the three dimensional ultrastructure of the cell, reveal the uptake mechanism, processing, accumulation site, molecular environment, and the induced cellular responses of internalized gold nanoparticles. This work validates the use of SERS in the analysis of the protein corona in the solution of model proteins and in living cells, and presents a suitable method for the analysis of the unaltered hard protein corona formed in living cells.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.

Hyper-Raman-Streuung folgt anderen Symmetrieauswahlregeln als Raman-Streuung und profitiert als nicht-linearer Zweiphotonenprozess noch mehr von verstärkten elektromagnetischen Feldern an der Oberfläche plasmonischer Nanostrukturen. Damit könnte die oberflächenverstärkte Hyper-Raman-Streuung (SEHRS) praktische Bedeutung in der Spektroskopie erlangen. Durch die Kombination von SEHRS und oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) können komplementäre Strukturinformationen erhalten werden. Diese eignen sich aufgrund der Lokalisierung der Verstärkung auf die unmittelbare Umgebung der Nanostrukturen besonders für die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Metalloberflächen. Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis des SEHRS-Effekts zu erlangen und dessen Anwendbarkeit für analytische Fragestellungen einzuschätzen. Dazu wurden SEHRS-Experimente mit Anregung bei 1064 nm und SERS-Experimente mit Anregung bei derselben Wellenlänge sowie mit Anregung bei 532 nm - für eine Detektion von SEHRS und SERS im gleichen Spektralbereich - durchgeführt. Als Beispiel für nicht-resonante Anregung wurden die vom pH-Wert abhängigen SEHRS- und SERS-Spektren von para-Mercaptobenzoesäure untersucht. Mit diesen Spektren wurde die Wechselwirkung verschiedener Silbernanostrukturen mit den Molekülen charakterisiert. Anhand von beta-Carotin wurden Einflüsse von Resonanzverstärkung im SEHRS-Experiment durch die gleichzeitige Anregung eines molekularen elektronischen Übergangs untersucht. Dabei wurde durch eine Thiolfunktionalisierung des Carotins eine intensivere Wechselwirkung mit der Silberoberfläche erzielt, sodass nicht nur resonante SEHRS- und SERS-Spektren, sondern auch nicht-resonante SERS-Spektren von Carotin erhalten werden konnten. Die Anwendbarkeit von SEHRS für hyperspektrale Kartierung in Verbindung mit Mikrospektroskopie wurde durch die Untersuchung von Verteilungen verschiedener Farbstoffe auf strukturierten plasmonischen Oberflächen demonstriert. / Hyper-Raman scattering follows different symmetry selection rules than Raman scattering and, as a non-linear two-photon process, profits even more than Raman scattering from enhanced electromagnetic fields at the surface of plasmonic nanostructures. Surface-enhanced hyper-Raman scattering (SEHRS) could thus gain practical importance for spectroscopy. The combination of SEHRS and surface-enhanced Raman scattering (SERS) offers complementary structural information. Specifically, due to the localization of the enhancement to the close proximity of the nanostructures, this information can be utilized for the characterization of the interaction between molecules and metal surfaces. The aim of this work was to increase the understanding of the SEHRS effect and to assess its applicability to answer analytical questions. For that purpose, SEHRS experiments with excitation at 1064 nm and SERS experiments with excitation at the same wavelength, as well as with excitation at 532 nm - to detect SEHRS and SERS in the same spectral region - were conducted. As an example for non-resonant excitation, pH-dependent SEHRS and SERS spectra of para-mercaptobenzoic acid were examined. Based on these spectra, the interaction of different silver nanostructures with the molecules was characterized. beta-Carotene was used to study the influence of resonance enhancement by the excitation of a molecular electronic transition during SEHRS experiments. By the thiol-functionalization of carotene, a more intense interaction with the silver surface was achieved, which enables to obtain not only resonant SEHRS and SERS but also non-resonant SERS spectra of carotene. Hyperspectral SEHRS imaging in combination with microspectroscopy was demonstrated by analyzing the distribution of different dyes on structured plasmonic surfaces.

In dieser Arbeit werden die nichtlokalen sowie nichtlinearen Eigenschaften plasmonischer Nanopartikel behandelt, wie sie im hydrodynamischen Modell enthalten sind. Das hydrodynamische Materialmodell stellt eine Erweiterung des Drude Modells dar, in der Korrekturen in der Beschreibung des Elektronenplasmas berücksichtigt werden. Einer ausführlichen Einführung des Materialmodells folgt eine analytische Diskussion der Auswirkungen der Nichtlokalität am Beispiel eines einzelnen Zylinders. Hierbei werden die durch die Nichtlokalität herbeigeführten Frequenzverschiebungen in den Streu- und Absorptionsspektren quantifiziert und asymptotisch behandelt. Des Weiteren wird mit Hilfe einer konformen Abbildung das Problem eines zylindrischen Dimers in der Elektrostatischen Näherung gelöst und die Moden der Struktur bestimmt. Diese Untersuchungen dienen als maßgebliche Grundlage für weiterführende numerische Studien die mit der diskontinuierlichen Galerkin Zeitraummethode durchgeführt werden. Die durch die analytischen Betrachtungen gewonnene Kenntnis der Moden ermöglicht es, im Zusammenhang mit gruppentheoretischen Betrachtungen und numerischen Untersuchungen, rigorose Auswahlregeln für die Anregung der Moden durch lineare und nichtlineare Prozesse aufzustellen. In weiterführenden numerischen Simulationen werden außerdem Strukturen niedrigerer Symmetrie, auf die sich die Auswahlregeln übertragen lassen, untersucht. Zudem werden numerische Studien präsentiert in denen der Einfluss der Nichtlokalität auf Feldüberhöhungen in Dimeren und doppel-resonantes Verhalten (es liegt sowohl bei der Frequenz des eingestrahlten Lichtes als auch bei der zweiten harmonischen eine Resonanz vor) untersucht werden. / This thesis deals with the nonlocal and nonlinear properties of plasmonic nanoparticles, as described by the hydrodynamic model. The hydrodynamic material model represents an extension of the Drude model that contains corrections to the descriptions of the electron plasma. After a thorough derivation of the material model, analytical discussions of nonlocality are presented for the example of a single cylinder. The frequency shifts in the scattering and absorption spectra are quantified and treated asymptotically. Furthermore, by applying a conformal map, the problem of a cylindrical dimer is solved in the electrostatic limit and the modes of the structure are determined. These investigations lay the foundations for numerical investigations which are performed employing the discontinuous Galerkin time domain method. The analytical knowledge of the modes, in conjunction with group theoretical considerations and numerical analysis, enables the formulation of rigorous selection rules for the excitation of modes by linear and nonlinear processes. In further numerical studies, the influence of nonlocality on the field enhancement in dimer structures and double-resonant behavior (a resonance is found at the frequency of the incoming light and at the second harmonic) are investigated.

Im ersten Teil der Arbeit werden Signalverstärkungsmechanismen für Raman-Spektroskopie erschlossen und evaluiert. Die als geeignet bewerteten Methoden finden im zweiten Teil ihre Anwendung zur Untersuchung der vibronischen Eigenschaften von dünnen Manganphthalocyaninschichten, die anschließend mit Kalium interkaliert werden. Hierbei sind verschiedene Phasen identifizierbar, die ein ganzzahliges Verhältnis von Kaliumatomen zu Manganphthalocyaninmolekülen besitzen. Im dritten Teil werden die elektrischen Eigenschaften durch die Verwendung dieses Materialsystems als aktives Medium eines Feldeffekttransistors untersucht.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen der angewendeten Effekte 3. Experimentelle Details 4. Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Substraten für Raman-Oberflächenverstärkungseffekte 5. Untersuchung zu Verstärkungsmechanismen des Raman-Effekts an dünnen organischen Schichten 6. Interkalation mit Kalium in dünne Schichten aus Manganphthalocyanin 7. MnPc unter Spannungs- und Stromeinfluss - Der Feldeffekttransistor 8. Zusammenfassung Anhang Literatur Abbildungsverzeichnis Eidesstattliche Versicherung Lebenslauf Liste wissenschaftlicher Leistungen Danksagung

Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet. Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen. Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist. Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.

Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet. Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen. Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist. Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.:Bibliografische Beschreibung 3 Parts of this work are published in 5 Table of contents 7 List of abbreviations 10 Introduction 11 Chapter 1. Principles of Raman spectroscopy, surface- and tip-enhanced Raman spectroscopies 15 1.1. Raman spectroscopy: its benefits and limitations 15 1.2. Electromagnetic enhancement in SERS and TERS 18 1.2.1. Light scattering by a sphere 19 1.2.2. Image dipole effect 22 1.3. Chemical enhancement 23 1.4. Summary 25 Chapter 2. Raman and AFM profiling of nanocrystal multilayer structures 27 2.1. Materials and methods 27 2.1.1. Nanocrystal growth 27 2.1.2. Sample preparation 28 2.1.3. TEM, AFM and Raman measurements 29 2.2. Structure of embedded NCs 31 2.2.1. Size and shape of embedded NCs by TEM 31 2.2.2. Phonon spectra of NCs 32 2.3. Profiling on NC multilayers 34 2.3.1. AFM profiling of multilayer NC structures 34 2.3.2. Raman profiling of NC multilayers 38 2.4. Summary 40 Chapter 3. Surface-enhanced Raman spectroscopy 43 3.1. Materials and methods 43 3.1.1. SERS substrate preparation 43 3.1.2. Organic and inorganic materials 45 3.1.3. Micro-Raman spectroscopy measurements 46 3.1.4. Micro-ellipsometry 46 3.1.5. Numerical simulations 47 3.2. SERS on organic films 47 3.2.1. SERS enhancement of CoPc 48 3.2.2. Polarization dependence of enhancement in SERS 51 3.3. SERS by nanocrytals 53 3.4. Summary 55 Chapter 4. Implementation of tip-enhanced Raman spectroscopy 57 4.1. TERS enhancement factor 58 4.2. State of the art of optical systems for TERS 60 4.3. Implementation of the optical system 61 4.4. TERS tips 64 4.4.1. State of the art of TERS tips 64 4.4.2. Fabrication of tips for AFM-based TERS 66 4.4.3. Mechanical properties of fully metallic TERS tips 68 4.5. Summary 74 Chapter 5. Tip-enhanced Raman spectroscopy imaging 75 5.1. Materials and methods 75 5.1.1. Preparation of multi-component sample 75 5.1.2. TERS experiments 76 5.1.3. Simulations of electric field enhancement 76 5.2. High resolution discrimination of carbon-containing compounds by TERS 78 5.3. Effect of substrate material and morphology on TERS enhancement 82 5.4. Effect of the AFM imaging mode on TERS enhancement 85 5.5. TERS on free-standing colloidal CdSe NCs 90 5.6. Summary 91 Conclusions 93 References 95 List of figures 104 Erklärung 109 Lebenslauf 111 Publication list 112 Acknowledgements 117