Abstract Doppler optical coherence tomography (DOCT) provides a non-disruptive, high resolution and real-time method for imaging flow velocity profiles inside small channels and capillaries. DOCT has been mostly used in the biomedical field to image blood flow. However, applications in the field of rheology have been rare. In this thesis, the time domain DOCT (TD-DOCT) was utilized to measure flow velocity profiles inside capillaries with high resolution. Time domain configuration was chosen due to the ability to implement dynamic focusing and, in addition, to have sufficient velocity range, especially at high speeds. The accuracy and reliability of the laboratory-built DOCT device was verified with Newtonian suspension and, further, the performance was compared to the commercial DOCT. In vivo measurements with slime mould Physarum polycephalum showed the versatility of DOCT to measure the flow velocity profile of a different kind of scattering suspension even with very low flow rates. The effects of multiple scattering on the accuracy of the measured flow velocity profiles were experimentally studied with two phantom configurations. The first case consisted of the static superficial layer, where the plain glass capillary with flowing Intralipid suspension was embedded into a cuvette. In the second case the moving superficial layer was made by introducing a second glass capillary in front of the studied flow. The results showed that multiple scattering has noticeable effect on the accuracy of the measured flow velocity profiles, especially at the deeper regions. Novel application of the DOCT technique is presented by implementing it to a capillary viscometer. As a result, the absolute viscosity of the Newtonian suspension is derived with high precision directly from the measured flow velocity profile and pressure drop without making any assumption of the flow under study. The results are consistent with the reference values measured with the commercial viscometer. / Tiivistelmä Doppler optinen koherenssitomografia (DOCT) on tekniikka, jolla on mahdollista mitata suspensioiden virtausnopeusprofiili virtausta häiritsemättömästi, reaaliaikaisesti ja tarkalla resoluutiolla ohuista kapillaareista. DOCT-tekniikkaa on hyödynnetty erityisesti lääketieteen alueella silmän rakenteen kuvantamisessa ja veren virtausmittauksissa. Tekniikan sovellukset nesteiden reologian tutkimuksessa ovat olleet harvinaisia. Tämän työn tarkoituksena on kehittää DOCT-tekniikkaa ja soveltaa sitä kapillaariviskometrissä viskositeetin määritykseen suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista. Tässä työssä hyödynnettiin laboratoriossa rakennettua aikatason DOCT-laitetta (TD-DOCT), jolla mitattiin virtausnopeusprofiili kapillaarin sisältä mikrometrien resoluutiolla. TD-DOCT valittiin, koska siinä voitiin käyttää dynaamista fokusointia parantamaan sivusuuntaista resoluutiota ja signaali-kohinasuhdetta. Tämän lisäksi se soveltuu laaja-alaisesti eri virtausnopeuksille, erityisesti nopeille virtauksille. Rakennetun DOCT-laitteen tarkkuus ja luotettavuus todennettiin mittaamalla Newtonista suspensiota ja vertaamalla mittaustuloksia kaupallisella DOCT:lla tehtyihin mittauksiin. Mittaukset elävässä organismissa, Physarum polycephalum -limasienessä, osoittavat laitteen soveltuvuuden erilaisten suspensioiden virtausnopeusprofiilin mittaukseen myös hyvin hitaissa virtauksissa. Moninkertaisen sironnan vaikutusta mitattujen profiilien tarkkuuteen tutkittiin kahdella eri konfiguraatiolla. Ensimmäisessä asetelmassa virtausnopeusprofiili mitattiin kapillaarista, joka oli upotettu valoa sirottavaan Intralipid-suspensioon, ja jonka upotussyvyyttä voitiin säätää. Toisessa asetelmassa muodostettiin dynaaminen valoa sirottava kerros asettamalla toinen Intralipidiä sisältävä kapillaari mitattavan kapillaarin eteen. Tulokset osoittavat, että monikertainen sironta vaikuttaa mitatun virtausnopeusprofiilin tarkkuuteen erityisesti kun valoa sirottava kerroksen paksuus kasvaa. Tässä työssä DOCT -tekniikkaa käytetään ensimmäistä kertaa kapillaariviskometrin yhteydessä. Newtonisen suspension absoluuttinen viskositeetti määritetään hyvin tarkasti suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista ja painehäviöstä ilman oletuksia virtaavasta nesteestä. Mitatut viskositeettiarvot vastaavat vertailumittauksia, jotka tehtiin kaupallisella rotaatioviskosimetrilla.

Abstract This thesis reports on studies of plasmonic nanoparticles and particularly gold nanostars as signal enhancers and contrast agents for biophotonic applications including visualisation, treatment of living cells and chemical sensing. In this thesis, the optical properties of nanoparticles of different size and morphology and their silica composites were compared. Because they are the most suitable plasmonic nanostructures, gold nanostars were utilised for optical imaging modalities such as confocal microscopy and Doppler optical coherence tomography. The ability of gold nanoparticles to enhance the signal in surface-enhanced vibrational spectroscopy, including Raman and Fourier transform infrared spectroscopy was additionally studied. Finally, various gold nanoparticles were applied for cell optoporation to increase the penetration ability of exogeneous substances. In summary, significant advantages of nanostars such as their low-toxicity, high scattering and contrast abilities, in addition to a broad, tunable, plasmon resonance wavelength range, as well as the capability to enhance the signal of analyte molecules in vibrational spectroscopy were demonstrated in this thesis. The results of this study on the effectiveness of nanostars have a broad scope of utility and open a wide perspective for their utilisation in nanobiophotonics and biomedicine. / Tiivistelmä Tämä opinnäytetyö kertoo tutkimuksista, joissa plasmoninanopartikkeleita ja erityisesti kultananotähtiä on käytetty signaalinvahvistimina biofotoniikan sovelluksissa, kuten visualisointi, elävien solujen käsittely ja kemiallinen tunnistus. Tässä työssä verrattiin eri kokoisten ja muotoisten nanopartikkeleiden ja niiden piioksidikomposiittien optisia ominaisuuksia. Sopivimpina plasmoninanorakenteina kultananotähtiä käytettiin optisiin kuvantamismenetelmiin, kuten konfokaalimikroskopiaan ja Doppler-optiseen koherenssitomografiaan. Lisäksi kuvattiin myös kultananopartikkelien kykyä parantaa pinta-aktivoidun värähtelevän spektroskopian signaalia, mukaan lukien Raman- ja Fourier-muunnos-infrapuna-spektroskopia. Lopuksi, eri kultananopartikkeleita käytettiin soluoptoporaatioon eksogeenisten aineiden läpäisevyyden lisäämiseksi. Yhteenvetona, työssä osoitettiin nanotähtien merkittävät edut, kuten matala-myrkyllisyys, suuret sironta- ja kontrastiominaisuudet, laaja plasmoniresonanssin aallonpituusalue ja sen viritettävyys, sekä kyky parantaa analyyttimolekyylien signaalia värähtelyspektroskopiassa. Niinpä tutkimustulokset nanotähtien tehokkuudesta ovat laajasti käyttökelpoisia ja ne avaavat laajan näkökulman niiden hyödyntämiseen nanobiofotoniikassa ja biolääketieteessä.