Les polymères à empreintes moléculaires (MIP), également appelés "anticorps en plastique", sont des récepteurs biomimétiques synthétiques qui sont capables de reconnaître et lier une molécule cible avec une affinité et une spécificité comparables à celles des récepteurs naturels tels que des enzymes ou des anticorps. En effet, les MIP sont utilisés comme éléments de reconnaissance synthétiques dans les biocapteurs et biopuces pour la détection de petits analytes et les protéines. La technique d'impression moléculaire est basée sur la formation de cavités de reconnaissance spécifiques dans des matrices polymères par un procédé de moulage à l'échelle moléculaire. Pour la conception de capteurs et biopuces, une cinétique d'adsorption et une réponse du capteur rapide, l'intégration des polymères avec des transducteurs, et une haute sensibilité de détection sont parmi les principaux défis. Dans cette thèse, ces problèmes ont été abordés par le développement de nanocomposites MIP / d'or via le greffage du MIP sur les surfaces en utilisant des techniques de polymérisation dédiées comme l'ATRP qui est une technique de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP). Ces techniques CRP sophistiquées sont en mesure d'améliorer considérablement les matériaux polymères. L'utilisation de l'ATRP dans le domaine de MIP a été limitée jusqu'à présent en raison de son incompatibilité inhérente avec des monomères acides comme l'acide méthacrylique (MAA), qui est de loin le monomère fonctionnel le plus largement utilisé dans les MIP. Ici, un nouveau procédé est décrit pour la synthèse de MIP par ATRP photo-initiée utilisant fac-[Ir(Ppy)3] comme catalyseur. La synthèse est possible à température ambiante et est compatible avec des monomères acides. Cette étude élargit considérablement la gamme de monomères fonctionnels et de molécules empreintes qui peuvent être utilisés lors de la synthèse de MIP par ATRP. La méthode proposée a été utilisée pour la fabrication de nanocomposites hiérarchiquement organisés sur des surfaces métalliques nanostructurés avec des nano-trous et nano-ilots, présentant des effets plasmoniques pour l'amplification du signal. La synthèse de films de MIP à l'échelle du nanomètre localisés sur la surface d'or a été démontrée. Des méthodes de transduction optiques, à savoir la résonance de plasmons de surface localisée (LSPR) et la spectroscopie Raman exaltée par effet de surface (SERS) ont été exploitées. Ces techniques se sont montrées prometteuses pour l'amélioration de la limite de détection dans la détection d'analytes biologiquement pertinents, y compris les protéines et le médicament propranolol. / Molecularly imprinted polymers (MIPs), also referred to as plastic antibodies, are synthetic biomimetic receptors that are able to bind target molecules with similar affinity and specificity as natural receptors such as enzymes or antibodies. Indeed, MIPs are used as synthetic recognition elements in biosensors and biochips for the detection of small analytes and proteins. The molecular imprinting technique is based on the formation of specific recognition cavities in polymer matrices by a templating process at the molecular level. For sensor and biochip development, fast binding kinetics of the MIP for a rapid sensor response, the integration of the polymers with transducers, and a high sensitivity of detection are among the main challenges. In this thesis, the above issues are addressed by developing MIP/gold nanocomposites by grafting MIPs on surfaces, using dedicated techniques like atom transfer radical polymerization (ATRP) which is a versatile controlled radical polymerization (CRP) technique. Theses ophisticated CRP techniques, are able to greatly improve the polymeric materials. The use of ATRP in the MIP field has been limited so far due to its inherent incompatibility with acidic monomers like methacrylic acid (MAA), which is by far the most widely used functional monomer. Herein, a new method is described for the MIP synthesis through photo-initiated ATRP using fac-[Ir(ppy)3] as ATRP catalyst. The synthesis is possible at room temperature and is compatible with acidic monomers. This study considerably widens the range of functional monomers and thus molecular templates that can be used when MIPs are synthesized by ATRP. The proposed method was used for fabrication of hierarchically organised nanocomposites based on MIPs and nanostructured metal surfaces containing nanoholes or nanoislands, exhibiting plasmonic effects for signal amplification. The fabrication of nanometer scale MIP coatings localized on gold surface was demonstrated. Optical transduction methods, namely Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) were exploited and shown that they hold great promise for enhancing the limit of detection in sensing of biologically relevant analytes including proteins and the drug propranolol.

Porous, conductive metallic nanostructures are required in several fields, such as energy conversion, low-cost sensors etc. This thesis reports on the development of an electrocatalytically active and conductive membrane for use in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs) and fabrication of low-cost substrates for Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). One of the main challenges facing large-scale deployment of PEMFCs currently is to fabricate a catalyst layer that minimizes platinum loading, maximizes eletrocatalytically active area, and maximizes tolerance to CO in the feed stream. Modeling the kinetics of platinum catalyzed half cell reactions occurring in a PEMFC using the kinetic theory of gases and incorporating appropriate sticking coefficients provides a revealing insight that there is scope for an order of magnitude increase in maximum current density achievable from PEMFCs. To accomplish this, losses due to concentration polarization in gas diffusion layers, which occur at high current densities, need to be eliminated. A novel catalyst design, based on a porous metallic nanostructure, which aims to overcome the limitations of concentration polarization as well as minimize the amount of platinum loading in PEMFCs is proposed. Fabrication steps involving controlled in-plane fusion of self-assembled arrays of core-shell gold-platinum nanoparticles (Au@Pt) is envisioned. The key steps involved being the development of a facile synthesis route to form Au@Pt nanoparticles with tunable platinum shell thicknesses in the 5 nm size range, the formation of large-scale 2D arrays of Au@Pt nanoparticles using guided self-assembly, and optimization of an RF plasma process to promote in-plane fusion of the nanoparticles to form porous, electrocatalytically active and electrically conductive membranes. This thesis consists of seven chapters. The first chapter provides an introduction into the topic of PEMFCs, some perspective on the current status of research and development of PEMFCs, and an outline of the thesis. The second chapter provides an overview on the methods used, characterization techniques employed and protocols followed for sample preparation. The third chapter describes the modelling of a PEMFC using the Kinetic theory of gases to arrive at an estimate of the maximum feasible current density, based on the kinetics of the electrocatalytic reactions. The fourth chapter presents the development of a simple protocol for synthesizing Au@Pt nanoparticles with control over platinum shell thicknesses from the sub monolayer coverage onwards. The results of spectroscopic and microscopic characterization establish the uniformity of coating and the absence of secondary nucleation. Chapter five describes the formation of a nanoporous, electrocatalytically active membrane by self-assembly to form bilayers of 2D arrays of Au@Pt nanoparticles and subsequent fusion using an RF plasma based process. The evolution of the electrocatalytic activity and electrical conductivity as a function of the duration of RF plasma treatment is monitored for Au@Pt nanoparticles with various extent of platinum coating. Spectroscopic, microscopic, electrical and cyclic voltammetry characterization of the samples at various stages were used to understand the structural evolution with RF plasma treatment duration and discussed. Next durability studies were carried out on the nanoporous, Au@Pt bilayer nanoparticle array with an optimum composition of Pt/Au atomic ratio of 0.88 treated to 16 minutes of argon plasma exposure. After this the novel catalyst membrane design of PEM fuel cell is revisited. Two different techniques are proposed so that the thin, nanoporous, metallic catalyst membrane achieves horizontal electronic resistance equivalent to that of the conventional gas diffusion layer with catalyst layer. The first technique proposes the introduction of gold coated polymeric mesh in between the thin, nanoporous, metallic catalyst membrane and bipolar plate and discusses the advantages. Later the gold coated polymeric mesh is introduced in a conventional membrane electrode assembly and efficiency of the polarization curves probed with and without the introduction of gold coated polymeric mesh. The second technique describes the results of fabrication of a nanoporous metallic membrane using multiple layers of 2D Au@Pt nanoparticle arrays at an optimum composition of Pt/Au atomic ratio of 0.88 to reduce the horizontal electronic resistance. Preliminary studies on the permeability of water through such membranes supported on a porous polycarbonate filter membrane are also presented. In chapter six, a simple reactive inkjet printing process for fabricating SERS active silver nanostructures on paper is presented. The process adapts a simple room temperature protocol, using tannic acid as the reducing agent, developed earlier in our group to fabricate porous silver nanostructures on paper using a commercial office inkjet printer. The results of SERS characterization, spectroscopic and microscopic characterizations of the samples and the comparison of the substrate’s long-term performance with respect to a substrate fabricated using sodium borohydride as the reducing agent is discussed. Preliminary findings on attempts to fabricate a conductive silver network using RF plasma induced fusion area also presented. Chapter seven provides a summary of the results, draws conclusions and a perspective on work required to accomplish the goals of incorporating the porous metallic nanostructures into PEMFCs.

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.

Ce travail de thèse se focalise sur le couplage du microscope à force atomique haute–vitesse (HS-AFM) et de la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour la détection des biomolécules. Nous avons élaboré un protocole de fabrication pour produire les substrats “SERS-actifs”. L’efficacité des substrats de nanoparticules cristalline d’or, d’argent ou bimétallique argent–or a été évaluée. Nous avons étudié l’impact des propriétés optiques et morphologiques des substrats sur l’intensité Raman en analysant des échantillons tests tels que la bipyridine éthylène et le bleu de méthylène. Nous nous sommes interessés à trois problematiques biologiques distinctes par analyses HS-AFM et SERS. Dans un premier cas, nous avons détecté la signature chimique de protéine cytochrome b5. Ce travail a été suivi par des études sur le changement de conformation de la protéine de choc thermique leuconostoc oenos Lo 18 en fonction de la concentration et du pH. La dernière application consiste en l’analyse des interactions membrane – virus. Afin de réaliser les analyses simultanées Raman/AFM, nous avons adapté notre protocole de fabrication pour couvrir la surface des pointes AFM commerciales par des nanoparticules d’or cristallines. Les études de diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS) ont été effectuées sur les échantillons de disulfure de molybdène pour évaluer la qualité des pointes TERS. Pour finir, nous présentons une nouvelle configuration de couplage HS-AFM et spectroscopie Raman. Nous discutons des modifications et des défis rencontrés. / This thesis focuses on the coupling of High–Speed Atomic Force Microscopy (HS-AFM) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for biomolecule analysis. We have designed a fabrication protocol to manufacture “SERS-active” substrates. The efficacy of gold, silver and gold-silver bimetallic crystalline nanoparticle substrates were evaluated. We have investigated the impact of optical and morphological features of the substrates on Raman signal intensity by analyzing well-known samples such as bipyridine ethylene and methylene blue molecules. We took an interest in three distinct biological problematics with HS-AFM and SERS analyses. First, we have detected the chemical signature of cytochrome b5 protein. This study was followed by the investigation of conformational changes of small heat shock leuconostoc oenos Lo 18 protein in function of pH level and concentrations. The last application consists to the analyse a membrane and a virus interaction. In order to realize simultaneous Raman/AFM analysis, we have adapted our fabrication protocol to cover the surface of commercial AFM probes by crystalline gold nanoparticles. Tip – Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) studies were performed on molybdenum disulfide to evaluate the quality of TERS probes. In the last part of this work, we have designed a new setup to combine Ando’s HS-AFM setup with Raman spectroscopy. We present the modifications that have been carried out and the challenges that we have encountered.

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