TY - THES A1 - Kiel, Mareike T1 - Static and ultrafast optical properties of nanolayered composites : gold nanoparticles embedded in polyelectrolytes T1 - Statische und ultraschnelle optische Eigenschaften von nanogeschichteten Kompositmaterialien. Gold-Nanopartikel in Polyelektrolytschichten. N2 - In the course of this thesis gold nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures were prepared, characterized, and investigated according to their static and ultrafast optical properties. Using the dip-coating or spin-coating layer-by-layer deposition method, gold-nanoparticle layers were embedded in a polyelectrolyte environment with high structural perfection. Typical structures exhibit four repetition units, each consisting of one gold-particle layer and ten double layers of polyelectrolyte (cationic+anionic polyelectrolyte). The structures were characterized by X-ray reflectivity measurements, which reveal Bragg peaks up to the seventh order, evidencing the high stratication of the particle layers. In the same measurements pronounced Kiessig fringes were observed, which indicate a low global roughness of the samples. Atomic force microscopy (AFM) images veried this low roughness, which results from the high smoothing capabilities of polyelectrolyte layers. This smoothing effect facilitates the fabrication of stratified nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures, which were nicely illustrated in a transmission electron microscopy image. The samples' optical properties were investigated by static spectroscopic measurements in the visible and UV range. The measurements revealed a frequency shift of the reflectance and of the plasmon absorption band, depending on the thickness of the polyelectrolyte layers that cover a nanoparticle layer. When the covering layer becomes thicker than the particle interaction range, the absorption spectrum becomes independent of the polymer thickness. However, the reflectance spectrum continues shifting to lower frequencies (even for large thicknesses). The range of plasmon interaction was determined to be in the order of the particle diameter for 10 nm, 20 nm, and 150 nm particles. The transient broadband complex dielectric function of a multilayer structure was determined experimentally by ultrafast pump-probe spectroscopy. This was achieved by simultaneous measurements of the changes in the reflectance and transmittance of the excited sample over a broad spectral range. The changes in the real and imaginary parts of the dielectric function were directly deduced from the measured data by using a recursive formalism based on the Fresnel equations. This method can be applied to a broad range of nanoparticle systems where experimental data on the transient dielectric response are rare. This complete experimental approach serves as a test ground for modeling the dielectric function of a nanoparticle compound structure upon laser excitation. N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gold-Nanopartikel/Polyelektrolyt Multischichtstrukturen hergestellt, strukturell charakterisiert und bezüglich ihrer optischen Eigenschaften sowohl statisch als auch zeitaufgelöst analysiert. Die Strukturen wurden mithilfe der Dip-coating oder der Spin-coating Methode hergestellt. Beide Methoden ermöglichen das Einbetten einzelner Partikellagen in eine Polyelektrolytumgebung. Typische Strukturen in dieser Arbeit bestehen aus vier Wiederholeinheiten, wobei jede aus einer Nanopartikelschicht und zehn Polyelektrolyt-Doppellagen (kationisches und anionisches Polyelektrolyt) zusammengesetzt ist. Die Stratizierung der Gold-Nanopartikellagen wurde mittels Röntgenreflektometrie-Messungen im Kleinwinkelbereich nachgewiesen, welche Bragg Reflexionen bis zur siebten Ordnung aufzeigen. Das ausgeprägte Kiessig Interferenzmuster dieser Messungen weist zudem auf eine geringe globale Rauheit hin, die durch Oberflächenanalysen mit einem Rasterkraftmikroskop bestätigt werden konnte. Diese geringe Rauheit resultiert aus den glättenden Eigenschaften der Polyelektrolyte, die die Herstellung von Multilagensystemen mit mehreren Partikellagen erst ermöglichen. Die Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops veranschaulicht eindrucksvoll die Anordnung der Partikel in einzelne Schichten. Durch photospektroskopische Messungen wurden die optischen Eigenschaften der Strukturen im UV- und sichtbaren Bereich untersucht. Beispielsweise wird eine Verschiebung und Verstärkung der Plasmonenresonanz beobachtet, wenn eine Goldnanopartikellage mit transparenten Polyelektrolyten beschichtet wird. Erst wenn die bedeckende Schicht dicker als die Reichweite der Plasmonen wird, bleibt die Absorption konstant. Die spektrale Reflektivität jedoch ändert sich auch mit jeder weiteren adsorbierten Polyelektrolytschicht. Die Reichweite der Plasmonenresonanz konnte auf diese Art für Partikel der Größe 10 nm, 20 nm und 150 nm bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden im Kontext einer Effektiven Mediums Theorie diskutiert. Die komplexe dielektrische Funktion einer Multilagenstruktur wurde zeitabhängig nach Laserpulsanregung für einen breiten spektralen Bereich bestimmt. Dazu wurden zuerst die Änderungen der Reflektivität und Transmittivität simultan mittels der Pump-Probe (Anrege-Abtast) Spektroskopie gemessen. Anschließend wurden aus diesen Daten, mithilfe eines Formalismus, der auf den Fresnelschen Formeln basiert, die Änderungen im Real- und Imaginärteil der dielektrischen Funktion ermittelt. Diese Methode eignet sich zur Bestimmung der transienten dielektrischen Funktion einer Vielzahl von Nanopartikelsystemen. Der rein experimentelle Ansatz ermöglicht es, effektive Medien Theorien und Simulationen der dielektrischen Funktion nach Laserpulsanregung zu überprüfen. KW - Nanopartikel KW - Polyelektrolyte KW - Dielektrische Funktion KW - Anrege-Abtast Spektroskopie KW - nanoparticles KW - polyelectrolytes KW - dielectric function KW - pump-probe spectroscopy Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61823 ER - TY - JOUR A1 - Cui, Qianling A1 - Shen, Guizhi A1 - Yan, Xuehai A1 - Li, Lidong A1 - Moehwald, Helmuth A1 - Bargheer, Matias T1 - Fabrication of Au@Pt multibranched nanoparticles and their application to in situ SERS monitoring JF - ACS applied materials & interfaces N2 - Here, we present an Au@Pt core-shell multibranched nanoparticle as a new substrate capable of in situ surface-enhanced Raman scattering (SERS), thereby enabling monitoring of the catalytic reaction on the active surface. By careful control of the amount of Pt deposited bimetallic Au@Pt, nanoparticles with moderate performance both for SERS and catalytic activity were obtained. The Pt-catalyzed reduction of 4-nitrothiophenol by borohydride was chosen as the model reaction. The intermediate during the reaction was captured and clearly identified via SERS spectroscopy. We established in situ SERS spectroscopy as a promising and powerful technique to investigate in situ reactions taking place in heterogeneous catalysis. KW - nanoparticles KW - gold KW - core-shell nanostructure KW - surface-enhanced Raman scattering KW - heterogeneous catalysis KW - bimetallic nanoparticles Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1021/am504709a SN - 1944-8244 VL - 6 IS - 19 SP - 17075 EP - 17081 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Cui, Qianling A1 - Yashchenok, Alexey A1 - Zhang, Lu A1 - Li, Lidong A1 - Masic, Admir A1 - Wienskol, Gabriele A1 - Moehwald, Helmuth A1 - Bargheer, Matias T1 - Fabrication of Bifunctional Gold/Gelatin Hybrid Nanocomposites and Their Application JF - ACS applied materials & interfaces N2 - Herein, a facile method is presented to integrate large gold nanoflowers (similar to 80 nm) and small gold nanoparticles (2-4 nm) into a single entity, exhibiting both surface-enhanced Raman scattering (SERS) and catalytic activity. The as-prepared gold nanoflowers were coated by a gelatin layer, in which the gold precursor was adsorbed and in situ reduced into small gold nanoparticles. The thickness of the gelatin shell is controlled to less than 10 nm, ensuring that the small gold nanoparticles are still in a SERS-active range of the inner Au core. Therefore, the reaction catalyzed by these nanocomposites can be monitored in situ using label-free SERS spectroscopy. In addition, these bifunctional nanocomposites are also attractive candidates for application in SERS monitoring of bioreactions because of their excellent biocompatibility. KW - core-shell nanostructure KW - gold KW - hybrid material KW - gelatin KW - nanoparticles KW - surface-enhanced Raman scattering Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1021/am5000068 SN - 1944-8244 VL - 6 IS - 3 SP - 1999 EP - 2002 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - THES A1 - Schürmann, Robin Mathis T1 - Interaction of the potential DNA-radiosensitizer 8-bromoadenine with free and plasmonically generated electrons T1 - Wechselwikung des potentiellen DNA-Radiosensibilisators 8-Bromoadenin mit freien und plasmonisch erzeugten Elektronen N2 - In Germany more than 200.000 persons die of cancer every year, which makes it the second most common cause of death. Chemotherapy and radiation therapy are often combined to exploit a supra-additive effect, as some chemotherapeutic agents like halogenated nucleobases sensitize the cancerous tissue to radiation. The radiosensitizing action of certain therapeutic agents can be at least partly assigned to their interaction with secondary low energy electrons (LEEs) that are generated along the track of the ionizing radiation. In the therapy of cancer DNA is an important target, as severe DNA damage like double strand breaks induce the cell death. As there is only a limited number of radiosensitizing agents in clinical practice, which are often strongly cytotoxic, it would be beneficial to get a deeper understanding of the interaction of less toxic potential radiosensitizers with secondary reactive species like LEEs. Beyond that LEEs can be generated by laser illuminated nanoparticles that are applied in photothermal therapy (PTT) of cancer, which is an attempt to treat cancer by an increase of temperature in the cells. However, the application of halogenated nucleobases in PTT has not been taken into account so far. In this thesis the interaction of the potential radiosensitizer 8-bromoadenine (8BrA) with LEEs was studied. In a first step the dissociative electron attachment (DEA) in the gas phase was studied in a crossed electron-molecular beam setup. The main fragmentation pathway was revealed as the cleavage of the C-Br bond. The formation of a stable parent anion was observed for electron energies around 0 eV. Furthermore, DNA origami nanostructures were used as platformed to determine electron induced strand break cross sections of 8BrA sensitized oligonucleotides and the corresponding nonsensitized sequence as a function of the electron energy. In this way the influence of the DEA resonances observed for the free molecules on the DNA strand breaks was examined. As the surrounding medium influences the DEA, pulsed laser illuminated gold nanoparticles (AuNPs) were used as a nanoscale electron source in an aqueous environment. The dissociation of brominated and native nucleobases was tracked with UV-Vis absorption spectroscopy and the generated fragments were identified with surface enhanced Raman scattering (SERS). Beside the electron induced damage, nucleobase analogues are decomposed in the vicinity of the laser illuminatednanoparticles due to the high temperatures. In order to get a deeper understanding of the different dissociation mechanisms, the thermal decomposition of the nucleobases in these systems was studied and the influence of the adsorption kinetics of the molecules was elucidated. In addition to the pulsed laser experiments, a dissociative electron transfer from plasmonically generated ”hot electrons” to 8BrA was observed under low energy continuous wave laser illumination and tracked with SERS. The reaction was studied on AgNPs and AuNPs as a function of the laser intensity and wavelength. On dried samples the dissociation of the molecule was described by fractal like kinetics. In solution, the dissociative electron transfer was observed as well. It turned out that the timescale of the reaction rates were slightly below typical integration times of Raman spectra. In consequence such reactions need to be taken into account in the interpretation of SERS spectra of electrophilic molecules. The findings in this thesis help to understand the interaction of brominated nucleobases with plasmonically generated electrons and free electrons. This might help to evaluate the potential radiosensitizing action of such molecules in cancer radiation therapy and PTT. N2 - Mit deutschlandweit über 200.000 Todesfällen pro Jahr ist Krebs die zweithäufigste Todesursache. In der Krebstherapie werden häufig Strahlenund Chemotherapie kombiniert, da das Krebsgewebe durch die Gabe bestimmter Chemotherapeutika, z.B. halogenierte Nukleinbasen, gegenüber ionisierender Strahlung sensibilisiert wird. Die Wirkung dieser sogenannten Radiosensibilatoren lässt sich zumindest teilweise auf ihre Wechselwirkung mit niederenergetischen Elektronen zurückführen, welche in hoher Zahl entlang der Trajektorie hochenergetischer Teilchen oder Photonen erzeugt werden. In der Krebstherapie ist die DNA ein wichtiger Angriffspunkt, da schwere DNA-Schäden wie Doppelstrangbrüche zum Zelltod führen können. In der klinischen Praxis ist die Anzahl der eingesetzten meist zytotoxischen Radiosensibilisatoren relativ begrenzt. Zur Verbesserung der bestehenden Therapien durch den Einsatz von Medikamenten mit geringeren Nebenwirkungen, ist es notwendig die Wechselwirkungen zwischen potentiellen Radiosensibilisatoren und reaktiven Sekundärteilchen wie niederenergetischen Elektronen besser zu verstehen. Neben der Strahlentherapie werden niederenergetische Elektronen auch durch Laserbestrahlung von plasmonischen Nanopartikeln erzeugt, welche in der Photothermaltherapie (PTT) Anwendung finden. Die mögliche Anwendung von halogenierten Nukleinbasen zur Verbesserung der Photothermaltherapie ist jedoch bisher noch nicht in Erwägung gezogen worden. Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation wird die Wechselwirkung des potentiellen Radiosensibilisators 8-Bromoadenin (8BrA) mit niederenergetischen Elektronen untersucht. Unter Verwendung eines gekreuzten Molekül-Elektronenstrahls wurde in einem ersten Schritt die dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) an 8BrA untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Hauptzerfallskanal in dem Aufbrechen der C-Br Bindung besteht. Darüberhinausgehend wurde bei der Anlagerung von Elektronen mit einer Energie von 0 eV ein stabiles 8BrA Anion beobachtet. Um den Einfluss der DEA-Resonanzen, die für freie Moleküle in der Gasphase beobachtet wurden, auf die elektroneninduzierten DNA-Strangbrüche zu untersuchen wurden DNA- Origami-Nanostrukturen mit Elektronen bestrahlt. Die DNAOrigami-Strukturen wurden sowohl mit 8BrA modifizierten Oligonukleotiden und der nicht modifizierten Kontrollsequenz bestückt und die Strangbruch Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit von der Elektronenenergie bestimmt. DEA-Prozesse hängen stark von dem umgebenden Medium ab. Aus diesem Grund wurden laserbestrahlte Gold-Nanopartikel (AuNPs) als Elektronenquellen auf der Nanoebene verwendet. Der Zerfall von bromierten und unmodifizierten Nukleinbasen wurde mit UV-Vis-Absorptions-Spektroskopie verfolgt, während die Identifizierung der entstandenen Fragmente über Oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erfolgte. Neben dem elektroneninduzierten Schaden, werden die Nukleinbasen in der Umgebung der AuNPs durch die hohen Temperaturen auch thermisch zersetzt. Um diese verschiedenen Prozesse auseinander halten zu können, wurde die thermische Zersetzung auf den laserbestrahlten AuNPs detailliert untersucht und der Einfluss der Adsorptionskinetik herausgearbeitet. Elektroneninduzierte Reaktionen auf Nanopartikeln finden nicht nur bei Bestrahlung mit intensiven Laser-Pulsen statt. Ein dissoziativer Elektronentransfer auf 8BrA, der zum Aufbrechen der C-Br Bindung führt, konnte ebenfalls während der Bestrahlung mit einem kontinuierlichen Laser geringer Intensität mit SERS beobachtet werden. Mit Hilfe von fraktaler Kinetik konnten dabei die Reaktionen auf getrockneten Proben beschrieben werden. Auf diese Art wurde die Reaktion sowohl auf AuNPs als auch auf AgNPs als Funktion der Laserintensität und -Wellenlänge untersucht. Ebenfalls in Lösung konnte das Auftrennen der C-Br Bindung beobachtet werden, wobei die Zeitskalen der Reaktion ein wenig kürzer als die typischen Integrationszeiten bei Ramanmessungen waren. Aus diesem Grund müssen Dissoziative-ElektronenTransfer- Reaktionen bei der Interpretation von SERS Spektren mit in Betracht gezogen werden. Die Ergebnisse dieser kumulativen Doktorarbeit fördern das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen bromierten Nukleinbasen mit freien und plasmonisch erzeugten Elektronen. Dies könnte dabei helfen das Potential von 8BrA als möglicher Radiosensibilisator besser beurteilen zu können. KW - DNA damage KW - Radiosensitization KW - dissociative electron attachment KW - nanoparticles KW - plasmonic catalysis KW - DNA-Schädigung KW - dissoziative Elektronen Anlagerung KW - Nanopartikel KW - plasmonische Katalyse Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407017 ER - TY - GEN A1 - Sarhan, Radwan Mohamed A1 - Koopman, Wouter-Willem Adriaan A1 - Schuetz, Roman A1 - Schmid, Thomas A1 - Liebig, Ferenc A1 - Koetz, Joachim A1 - Bargheer, Matias T1 - The importance of plasmonic heating for the plasmondriven photodimerization of 4-nitrothiophenol T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Metal nanoparticles form potent nanoreactors, driven by the optical generation of energetic electrons and nanoscale heat. The relative influence of these two factors on nanoscale chemistry is strongly debated. This article discusses the temperature dependence of the dimerization of 4-nitrothiophenol (4-NTP) into 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) adsorbed on gold nanoflowers by Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Raman thermometry shows a significant optical heating of the particles. The ratio of the Stokes and the anti-Stokes Raman signal moreover demonstrates that the molecular temperature during the reaction rises beyond the average crystal lattice temperature of the plasmonic particles. The product bands have an even higher temperature than reactant bands, which suggests that the reaction proceeds preferentially at thermal hot spots. In addition, kinetic measurements of the reaction during external heating of the reaction environment yield a considerable rise of the reaction rate with temperature. Despite this significant heating effects, a comparison of SERS spectra recorded after heating the sample by an external heater to spectra recorded after prolonged illumination shows that the reaction is strictly photo-driven. While in both cases the temperature increase is comparable, the dimerization occurs only in the presence of light. Intensity dependent measurements at fixed temperatures confirm this finding. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 698 KW - enhanced raman-scattering KW - charge-transfer KW - metal KW - nanoparticles KW - catalysis KW - AU KW - 4-nitrobenzenethiol KW - aminothiophenol KW - photocatalysis KW - wavelength Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427197 SN - 1866-8372 IS - 698 ER - TY - JOUR A1 - Sarhan, Radwan Mohamed A1 - Koopman, Wouter-Willem Adriaan A1 - Schuetz, Roman A1 - Schmid, Thomas A1 - Liebig, Ferenc A1 - Koetz, Joachim A1 - Bargheer, Matias T1 - The importance of plasmonic heating for the plasmondriven photodimerization of 4-nitrothiophenol JF - Scientific Reports N2 - Metal nanoparticles form potent nanoreactors, driven by the optical generation of energetic electrons and nanoscale heat. The relative influence of these two factors on nanoscale chemistry is strongly debated. This article discusses the temperature dependence of the dimerization of 4-nitrothiophenol (4-NTP) into 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) adsorbed on gold nanoflowers by Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Raman thermometry shows a significant optical heating of the particles. The ratio of the Stokes and the anti-Stokes Raman signal moreover demonstrates that the molecular temperature during the reaction rises beyond the average crystal lattice temperature of the plasmonic particles. The product bands have an even higher temperature than reactant bands, which suggests that the reaction proceeds preferentially at thermal hot spots. In addition, kinetic measurements of the reaction during external heating of the reaction environment yield a considerable rise of the reaction rate with temperature. Despite this significant heating effects, a comparison of SERS spectra recorded after heating the sample by an external heater to spectra recorded after prolonged illumination shows that the reaction is strictly photo-driven. While in both cases the temperature increase is comparable, the dimerization occurs only in the presence of light. Intensity dependent measurements at fixed temperatures confirm this finding. KW - enhanced raman-scattering KW - charge-transfer KW - metal KW - nanoparticles KW - catalysis KW - AU KW - 4-nitrobenzenethiol KW - aminothiophenol KW - photocatalysis KW - wavelength Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-019-38627-2 SN - 2045-2322 VL - 9 PB - Macmillan Publishers Limited CY - London ER - TY - JOUR A1 - Metzler, Ralf T1 - Superstatistics and non-Gaussian diffusion JF - The European physical journal special topics N2 - Brownian motion and viscoelastic anomalous diffusion in homogeneous environments are intrinsically Gaussian processes. In a growing number of systems, however, non-Gaussian displacement distributions of these processes are being reported. The physical cause of the non-Gaussianity is typically seen in different forms of disorder. These include, for instance, imperfect "ensembles" of tracer particles, the presence of local variations of the tracer mobility in heteroegenous environments, or cases in which the speed or persistence of moving nematodes or cells are distributed. From a theoretical point of view stochastic descriptions based on distributed ("superstatistical") transport coefficients as well as time-dependent generalisations based on stochastic transport parameters with built-in finite correlation time are invoked. After a brief review of the history of Brownian motion and the famed Gaussian displacement distribution, we here provide a brief introduction to the phenomenon of non-Gaussianity and the stochastic modelling in terms of superstatistical and diffusing-diffusivity approaches. KW - Brownian diffusion KW - anomalous diffusion KW - dynamics KW - kinetic-theory KW - models KW - motion KW - nanoparticles KW - nonergodicity KW - statistics KW - subdiffusion Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1140/epjst/e2020-900210-x SN - 1951-6355 SN - 1951-6401 VL - 229 IS - 5 SP - 711 EP - 728 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Caetano, Daniel L. Z. A1 - Carvalho, Sidney Jurado de A1 - Metzler, Ralf A1 - Cherstvy, Andrey G. T1 - Critical adsorption of multiple polyelectrolytes onto a nanosphere BT - splitting the adsorption-desorption transition boundary JF - Interface : journal of the Royal Society N2 - Employing extensive Monte Carlo computer simulations, we investigate in detail the properties of multichain adsorption of charged flexible polyelectrolytes (PEs) onto oppositely charged spherical nanoparticles (SNPs). We quantify the conditions of critical adsorption-the phase-separation curve between the adsorbed and desorbed states of the PEs-as a function of the SNP surface-charge density and the concentration of added salt. We study the degree of fluctuations of the PE-SNP electrostatic binding energy, which we use to quantify the emergence of the phase subtransitions, including a series of partially adsorbed PE configurations. We demonstrate how the phase-separation adsorption-desorption boundary shifts and splits into multiple subtransitions at low-salt conditions, thereby generalizing and extending the results for critical adsorption of a single PE onto the SNP. The current findings are relevant for finite concentrations of PEs around the attracting SNP, such as the conditions for PE adsorption onto globular proteins carrying opposite electric charges. KW - nanoparticles KW - polyelectrolytes KW - electrostatics KW - critical adsorption KW - phase-transition boundary Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1098/rsif.2020.0199 SN - 1742-5689 SN - 1742-5662 VL - 17 IS - 167 PB - Royal Society CY - London ER -