Fluorescence Enhancement with Large-Scale Nanoparticle Arrays

Abstract

For a multitude of biomedical applications, accurate sensing of fluorescence is essential. In addition to using more sophisticated measurement instruments, sensitivity in fluorescence sensing can also be improved by plasmonic nanostructures, owing to their ability to enhance molecular fluorescence.

Using finite element method modelling, this thesis designs plasmonic nanoparticle arrays suited for enhancing the fluorescence intensity of organic molecules. Such arrays are to be fabricated using a novel nanofabrication procedure based on azopolymer interference lithography. Relying only on parallel fabrication techniques, this fabrication procedure is readily scalable and economical. However, the procedure also imposes additional limits on feasible array designs.

In this work, the fluorescence enhancement efficiencies of fabricated array samples are quantified by confocal fluorescence microscopy. Additionally, fabricated arrays are characterized by UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectroscopy, scanning electron microscopy, and atomic force microscopy. The results of these experiments are compared to simulations in order to investigate the applicability of finite element method modelling for designing fluorescence-enhancing plasmonic nanoparticle arrays. Based on these results, conclusions are also drawn on the precision of the nanofabrication procedure used for this thesis.

A maximum fluorescence enhancement factor of 4.11 was measured in this work. In agreement with the simulation results, this maximum value was achieved when the dipolar localized surface plasmon resonances of the studied array sample were tuned with the emission wavelength of the rhodamine 6G molecules used in the experiment. According to the experimental measurements, azopolymer interference lithography can be used to fabricate fluorescence-enhancing silver nanoparticle arrays with acceptably low variations in particle shapes and sizes, as well as in interparticle distances.

Molekyylien fluoresenssin tarkka havaitseminen, ja tämän havaitsemistarkkuuden parantaminen, on tärkeää useissa biolääketieteen sovelluksissa. Yhä kalliimpien mittalaitteiden käyttöönoton lisäksi fluoresenssin havaitsemisen tarkkuutta voidaan parantaa myös fluoresenssia voimistavien plasmonisten nanorakenteiden avulla.

Tässä työssä suunnitellaan elementtimenetelmään perustuvien tietokonemallien avulla fluoresenssin vahvistamiseen soveltuvia plasmonisia nanopartikkelihiloja. Kyseiset hilat valmistetaan taloudellisella ja helposti skaalattavalla, atsopolymeeri-interferenssilitografiaan perustuvalla nanovalmistusmenetelmällä. Hyödyllisten ominaisuuksiensa vastapainoksi tämä valmistusmenetelmä asettaa kuitenkin ylimääräisiä rajoitteita suunniteltujen partikkelihilojen geometrioille.

Työn kokeellisessa osassa tarkastellaan valmiiden nanopartikkelihilojen soveltuvuutta fluoresenssin vahvistamiseen fluoresenssimikroskopian avulla. Kyseisiä hiloja myös karakterisoidaan ultravioletin ja näkyvän valon aallonpituuksien spektroskopian, fluoresenssispektroskopian ja sekä atomivoima- että pyyhkäisyelektronimikroskopian keinoin. Elementtimenetelmän soveltuvuus plasmonisten nanorakenteiden suunnittelussa todennetaan vertaamalla näiden kokeellisten mittausten tuloksia tietokonesimulaatioihin. Lisäksi mittaustulosten perusteella arvioidaan käytetyn valmistusmenetelmän tarkkuutta ja käyttökelpoisuutta.

Korkein tässä työssä mitattu fluoresenssivahvistuskerroin oli 4,11. Simulaatiotulosten mukaisesti tämä maksimiarvo saavutettiin sovittamalla tutkitun nanopartikkelihilan dipoliresonanssin ja väriaineena käytetyn rodamiini 6G:n fluoresenssin aallonpituudet toisiinsa. Tutkittujen näytteiden optisten ominaisuuksien ja nanomikroskopisin menetelmin todennetun riittävän tasalaatuisuuden perusteella atsopolymeeri-interferenssilitografian voidaan arvioida soveltuvan fluoresenssia vahvistavien hopeananopartikkelihilojen valmistamiseen.