Polystyren-Template zur Anordnung von Nanopartikeln auf Glas-

Polystyrenmikrokugeln wurden in der Vergangenheit bereits verwendet, um ringf¨ormige Anordnungen von CdSe-Quantenpunkten^[158]oder Goldnanopartikeln^[190]auf Glasober-fl¨achen zu erzielen. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Polystyrenpartikel beim Trock-nen einer L¨osung, die diese Partikel enth¨alt, in einem hexagonalen Muster nebenein-ander anordnen und gleichzeitig in den Hohlr¨aumen zwischen den mikrometergroßen Partikeln und der Glasoberfl¨ache Kapillarkr¨afte entstehen, die auf die Nanopartikel wir-ken.^[158] Bei einer Anwendung der entstehenden Strukturen als SERS-Substrate sind die Nanopartikel auf der Oberfl¨ache allerdings nicht ausreichend fixiert, um eine Beein-tr¨achtigung der Strukturen beim Aufbringen von Analytl¨osungen zu umgehen. Daher wurde in dieser Arbeit ein ver¨anderter Ansatz gew¨ahlt, bei dem Silbernanopartikel in Gegenwart von Polystyrenpartikeln auf mit 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES) funktionalisierten Glasoberfl¨achen immobilisiert wurden. Die Polystyrenpartikel wirken hierbei im wesentlichen als Platzhalter auf der Oberfl¨ache. Zudem sollte die Entfernung der Polystyrenpartikel nicht mit Klebeband^[158,190]erfolgen, sondern durch Aufl¨osen des Polystyrens in organischen L¨osungsmitteln, um Einfl¨usse durch R¨uckst¨ande des Klebe-bands auf die SERS-Spektren zu vermeiden. Als L¨osungsmittel wurden Toluen, Aceton und Tetrahydrofuran getestet. Tetrahydrofuran zeigte einen deutlichen Einfluss auf die

Kapitel 6 - Bildgebende Experimente an mikrostrukturierten Oberfl¨achen

vor Behandlung mit Toluen

nach Behandlung mit Toluen

in Gegenwart von PS;

nach Behandlung mit Toluen

Abb. 6.1: Extinktionsspektren von (a) Silbernanopartikeln in kolloidaler L¨osung, die durch Reduk-tion mit Hydroxylamin hergestellt wurden, ohne und mit Zusatz von 10 % (v/v) Toluen und (b) immobilisierten Silbernanopartikeln vor und nach der Behandlung mit Toluen, sowie in Gegenwart von Polystyren (PS) immobilisierte Silbernanopartikel nach dem Aufl¨osen des Polystyrens in Toluen.

optischen Eigenschaften sowohl der kolloidalen als auch der immobilisierten Silberna-nopartikel. Die Ergebnisse in den SERS-Experimenten unterschieden sich nur wenig f¨ur die drei L¨osungsmittel. Hier sind exemplarisch die Ergebnisse f¨ur Toluen dargestellt.

Zun¨achst wurde die Stabilit¨at der Silbernanopartikel bei Einwirkung von Toluen untersucht. Der Vergleich der Extinktionsspektren von Silbernanopartikeln, die durch Reduktion mit Hydroxylamin hergestellt wurden, und von den gleichen Silbernanopar-tikeln in Gegenwart von Toluen zeigt, dass sich die optischen Eigenschaften der Nano-partikel in kolloidaler L¨osung durch den Einfluss des Toluens nicht ¨andern (Abb. 6.1 a).

Werden diese Silbernanopartikel auf einer Glasoberfl¨ache immobilisiert, zeigt die er-weiterte Plasmonenbande, dass auf der Oberfl¨ache auch Aggregate der Nanopartikel vorhanden sind (Abb. 6.1 b). Wird die Glasoberfl¨ache mit den immobilisierten Nano-partikeln in Toluen getaucht, ergibt sich eine leichte Ver¨anderung des Extinktionsspek-trums (Abb. 6.1 b). Die Ver¨anderung ist allerdings relativ gering und kann auch darauf zur¨uckzuf¨uhren sein, dass die Position, an der die Probe bei der Extinktionsmessung durchstrahlt wird, nicht exakt festgelegt werden kann, und somit vor und nach der Toluen-Behandlung unterschiedliche Regionen der Probe untersucht wurden.

SERS-Untersuchungen der Oberfl¨achen wurden mit Kristallviolett als Analyt durch-gef¨uhrt. Kristallviolett hat einen relativ großen Raman-Streuquerschnitt, so dass ein Raman-Spektrum einer w¨assrigen Kristallviolettl¨osung bei h¨oherer Konzentration un-ter den gleichen Anregungsbedingungen erhalten werden kann wie die SERS-Spektren.

Damit besteht eine einfache M¨oglichkeit f¨ur die Quantifizierung des SERS-Signals.

6.1 Anordnung von Nanopartikeln mit Hilfe von Templaten

1618 1585 1535 1444 1374 1295 1174 975 940 914 801 759 726 525 440 420 333

EF

1585 1469 1372 1173 1033 996 913 794 729 517 414

d)

Abb. 6.2:(a) SERS-Spektrum von Kristallviolett (10⁻⁵mol L⁻¹) auf immobilisierten Silbernanopar-tikeln, (b) lokale Verteilung der Verst¨arkungsfaktoren, bestimmt anhand der Bande von Kristallviolett bei 1174 cm⁻¹ auf den immobilisierten Silbernanopartikeln, (c) SERS-Spektrum von Kristallviolett (10⁻⁵mol L⁻¹) auf in Gegenwart von Polystyren-Mikropartikeln immobilisierten Silbernanopartikeln nach der Behandlung mit Toluen, (d) lokale Verteilung der Verst¨arkungsfaktoren auf derselben Probe wie in (c). Anregungswellenl¨ange: 785 nm, Photonenflussdichte: 3·10²⁴Photonen cm⁻²s⁻¹, Integra-tionszeit: 1 s.

Abb. 6.2 a zeigt ein exemplarisches SERS-Spektrum von Kristallviolett auf einer Ober-fl¨ache mit den immobilisierten Silbernanopartikeln ohne Polystyrentemplate und ohne L¨osungsmitteleinfluss. Die anhand der C-H-Deformationsschwingungsbande von Kris-tallviolett bei 1174 cm⁻¹ ermittelten Verst¨arkungsfaktoren zeigen eine relativ gleich-m¨aßige Verteilung der SERS-Intensit¨at auf dieser Oberfl¨ache (Abb. 6.2 b). Wurde eine solche Oberfl¨ache mit Toluen behandelt, ergaben sich ebenfalls Verst¨arkungsfaktoren in der Gr¨oßenordnung von 10⁴-10⁵ in einer ¨ahnlichen Verteilung wie ohne Toluenein-fluss, was darauf schließen l¨asst, dass das Toluen die Nanopartikel und ihre Anordnung tats¨achlich nicht beeintr¨achtigt.

Werden die Silbernanopartikel in Gegenwart der Polystyrenpartikel immobilisiert, sind die Verst¨arkungsfaktoren im Mittel um einen Faktor von 5-10 geringer (Abb. 6.2 d),

Kapitel 6 - Bildgebende Experimente an mikrostrukturierten Oberfl¨achen

was auf eine geringere Anzahl und/oder eine ver¨anderte Anordnung der Nanopartikel auf der Oberfl¨ache schließen l¨asst. Diese Vermutung wird dadurch best¨atigt, dass die Extinktion einer solchen Oberfl¨ache geringer und die Plasmonenbande etwas breiter ist als bei in Abwesenheit von Polystyrenpartikeln immobilisierten Silbernanopartikeln (Abb. 6.1 b). Es ist also anzunehmen, dass die Polystyrenpartikel tats¨achlich einen Einfluss auf die Anordnung der Silbernanopartikel haben. Betrachtet man allerdings die lokale Verteilung der Verst¨arkungsfaktoren, so l¨asst sich kein regelm¨aßiges Muster erkennen (Abb. 6.2 d), das auf eine erfolgreiche, reproduzierbare Templatierung hindeu-ten w¨urde. Außerdem konnte das Polystyren weder durch Toluen noch durch Aceton oder Tetrahydrofuran vollst¨andig entfernt werden, wie am Auftreten von Ringdefor-mationsschwingungsbanden des Polystyrens^[191] bei 996 cm⁻¹ und 1036 cm⁻¹ in den SERS-Spektren zu erkennen ist (Abb. 6.2 c). Es ist zudem anzumerken, dass in einigen Regionen der Proben ausschließlich diese Polystyrenbanden, aber keine SERS-Signale von Kristallviolett beobachtet wurden, was darauf hindeutet, dass nach der Behandlung mit den organischen L¨osungsmitteln noch große Mengen von Polystyren auf den Ober-fl¨achen verbleiben, obwohl alle verwendeten L¨osungsmittel Polystyren grunds¨atzlich sehr gut und r¨uckstandsfrei aufl¨osen sollten. Eine ¨ahnliche Problematik wurde im Rah-men dieser Arbeit auch mit photolithographisch strukturierten Proben beobachtet, bei denen nach der Funktionalisierung mit APTES f¨ur die Immobilisierung von Silberna-nopartikeln das Aufl¨osen des verwendeten Photolackes ebenfalls nicht mehr m¨oglich war. Es ist daher davon auszugehen, dass APTES nicht nur an die Glasoberfl¨ache und an die Silbernanopartikel bindet, sondern auch Polystyren und andere Polymere che-misch bindet oder ver¨andert, sodass diese als Template bei der Immobilisierung von Silbernanopartikeln schecht geeignet sind.

Die unregelm¨aßige lokale Verteilung der unterschiedlichen SERS-Verst¨ arkungsfak-toren auf den templatierten Oberfl¨achen (Abb. 6.2 d) kann verschiedene Ursachen ha-ben. Zum einen kann sie auf eine unregelm¨aßige Verteilung der Nanopartikel auf der Oberfl¨ache hindeuten. Zum anderen zeigten auch die ohne Template immobilisierten Silbernanopartikel lokal leichte Unterschiede in der Verst¨arkung (Abb. 6.2 b). Da hier immer ein Mittelwert des SERS-Signals aller im Bereich des Laserfokus’ adsorbierten Molek¨ule betrachtet wird, k¨onnen solche feinen Unterschiede leicht zustandekommen, wenn an einem Punkt ein Silbernanoaggregat eine deutlich h¨ohere Verst¨arkung liefert, sodass sich anhand des Verst¨arkungsfaktors nur bedingt eine Aussage ¨uber die Anzahl der Nanopartikel oder Nanoaggregate im Fokus treffen l¨asst. Dies kommt besonders

6.1 Anordnung von Nanopartikeln mit Hilfe von Templaten dann zum Tragen, wenn durch die Templatierung nicht ausschließlich Ringstruktu-ren in Abst¨anden, die dem Durchmesser der Polystyrenpartikel von 3µm entsprechen, gebildet werden, sondern auch in den Bereichen zwischen den Ringstrukturen Nanopar-tikel an der Glasoberfl¨ache gebunden sind. Die Fl¨achen innerhalb der Ringstrukturen, dort wo die Polystyrenpartikel die Glasoberfl¨ache w¨ahrend der Immobilisierung bede-cken, w¨aren dann zwar noch immer frei von Nanopartikeln, jedoch sind diese Fl¨achen zu klein, um mit der hier gegebenen Ortsaufl¨osung von ihrer Umgebung eindeutig se-pariert zu werden: Unter Ber¨ucksichtigung einer idealen Kugelpackung^[158] w¨are f¨ur die Ringstrukturen bei den hier verwendeten Partikeldurchmessern von 3µm (Poly-styren) und 42 nm (Silber) ein Innendurchmesser von 710 nm zu erwarten, w¨ahrend der minimale beugungsbegrenzte Durchmesser des Laserfokus’ 800 nm betr¨agt und SERS-Spektren in einem Abstand von 1µm gemessen wurden. Um die tats¨achliche Anordnung von Silbernanopartikeln und Polystyren auf den Oberfl¨achen zu untersu-chen, k¨onnten Elektronenmikroskopie-Untersuchungen durchgef¨uhrt werden. Da das Ziel hier jedoch in der Herstellung von Oberfl¨achen mit einem nachvollziehbaren Mus-ter der SERS-Verst¨arkung bestand, das mit dem hier vorgestellten Ansatz nicht erreicht wurde, wurde von weiteren Untersuchungen der Oberfl¨achen abgesehen.

6.1.2 Pflanzengewebe als Templat f¨ ur die Herstellung von