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Optothermal manipulation of phospholipid membranes with gold nanoparticles [Elektronische Ressource] / by Alexander Skyrme Urban

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OptothermalManipulationofPhospholipidMembraneswithGoldNanoparticlesDissertationsubmittedtothePhysicsDepartmentoftheLudwig-Maximilians-UniversitätMünchenbyAlexanderSkyrmeUrbanofCambridge,UnitedKingdomthMünchen,October 4 ,2010Firstreviewer: Prof. Dr. JochenFeldmannSecondreviewer: Prof. Dr. DonC.LambAdditionalmembersoftheexamination: Prof. Dr. JoachimO.Rädler(chairman)Prof. Dr. UlrichGerlandthDateoftheoralexamination: November 12 ,2010iiiScientiVcpublicationsofresultspresentedinthiswork T.K. Sau, A.S. Urban, S.K. Dondapati, M. Fedoruk, M.R. Horton, A.L. Rogach, F.D.Stefani,J.O.RädlerandJ.FeldmannControlling loading and optical properties of gold nanoparticles on liposome mem-branesColloidsandSurfaceA342,92-96(2009) A.S.Urban,M.Fedoruk,M.R.Horton,J.O.Rädler,F.D.StefaniandJ.FeldmannControlled nanometric phase transitions of phospholipid membranes by plasmonicheating of single gold nanoparticlesNanoLetters9(8),2903-2908(2009) A.S.Urban,A.A.Lutich,F.D.StefaniandJ.FeldmannLaser printing single gold nanoparticlesNanoLetters10(12),4794–4798(2010) A.S.Urban,T.PfeiUer,A.A.Lutich,andJ.FeldmannSingle step photoporation of phospholipid membranes with gold nanoparticlesinpreparation(2010)Additionalpublications R.Hauschild,H.Lange,A.Urban,H.KaltandC.KlingshirnThe inWuence of waveguide modes on stimulated emission from ZnO nanorodsphysicastatussolidic3(10),3557-3560(2006) J.Fallert,R.Hauschild,A.Urban,H.Priller,H.KaltandC.

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Published 01 January 2010
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Language English
Document size 11 MB

OptothermalManipulationof
PhospholipidMembraneswithGold
Nanoparticles
Dissertation
submittedtothePhysicsDepartment
oftheLudwig-Maximilians-UniversitätMünchen
by
AlexanderSkyrmeUrban
of
Cambridge,UnitedKingdom
thMünchen,October 4 ,2010Firstreviewer: Prof. Dr. JochenFeldmann
Secondreviewer: Prof. Dr. DonC.Lamb
Additionalmembersoftheexamination: Prof. Dr. JoachimO.Rädler(chairman)
Prof. Dr. UlrichGerland
thDateoftheoralexamination: November 12 ,2010iiiScientiVcpublicationsofresultspresentedinthiswork
T.K. Sau, A.S. Urban, S.K. Dondapati, M. Fedoruk, M.R. Horton, A.L. Rogach, F.D.
Stefani,J.O.RädlerandJ.Feldmann
Controlling loading and optical properties of gold nanoparticles on liposome mem-
branes
ColloidsandSurfaceA342,92-96(2009)
A.S.Urban,M.Fedoruk,M.R.Horton,J.O.Rädler,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Controlled nanometric phase transitions of phospholipid membranes by plasmonic
heating of single gold nanoparticles
NanoLetters9(8),2903-2908(2009)
A.S.Urban,A.A.Lutich,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Laser printing single gold nanoparticles
NanoLetters10(12),4794–4798(2010)
A.S.Urban,T.PfeiUer,A.A.Lutich,andJ.Feldmann
Single step photoporation of phospholipid membranes with gold nanoparticles
inpreparation(2010)
Additionalpublications
R.Hauschild,H.Lange,A.Urban,H.KaltandC.Klingshirn
The inWuence of waveguide modes on stimulated emission from ZnO nanorods
physicastatussolidic3(10),3557-3560(2006)
J.Fallert,R.Hauschild,A.Urban,H.Priller,H.KaltandC.Klingshirn
Processes of Stimulated Emission in ZnO
AIPConferenceProceedings893,163-164(2007)
J. Fallert, R. Hauschild, F. Stelzl, A. Urban, M. Wissinger, H.J. Zho, C. Klingshirn and
H.Kalt
Surface-state related luminescence in ZnO nanocrystals
JournalofAppliedPhysics101(7),073506(2007)
H.J.Ba,J.Rodriguez-Fernandez,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Immobilization of gold nanoparticles on living cell membranes upon controlled lipid
binding
NanoLetters10(8),3006-3012(2010)
S.K.Dondapati,A.S.Urban,M.Fedoruk,A.Schwemmer,J.FeldmannandT.A.Klar
Nanoscopic Potassium Sensor Based on Single Plasmonic Nanoparticles Covered by
Lipid Membranes
inpreparation(2010)
ivContributionstoconferencesandworkshops
A.S.Urban
Physical Aspects of Drug-Delivery
Workshop"NanoforLifescience",Riezlern,Austria,June2007
A.S.Urban,M.Horton,S.Dondapati,T.K.Sau,T.A.Klar,J.RädlerandJ.Feldmann
Local Heating of Phospholipid Bilayers with Gold Nanoparticles
nd
The 52 AnnualMeetingoftheBiophysicalSociety,LongBeach,California,February
2008
A.S.Urban,M.Horton,S.Dondapati,T.K.Sau,T.A.Klar,J.RädlerandJ.Feldmann
Local Heating of Phospholipid Bilayers with Gold Nanoparticles
DPGFrühjahrstagungdesArbeitskreisesFestkörperphysik,Berlin,March2008
A.S.Urban,M.Fedoruk,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Nanometric Local Heating of Phospholipid Membranes Functionalized with Gold
Nanoparticles
rd
The 53 Annual Meeting of the Biophysical Society, Boston, Massachusetts, March
2009
A.S.Urban,M.Fedoruk,S.Wimmer,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Nanometric phase transitions on phospholipid membranes using plasmonic heating of
single gold nanoparticles
SPIE Optics + Photonics - NanoScience and Engineering, San Diego, California,
August2009
A.S.Urban
Plasmonic Heating of Gold Nanoparticles in Biological Systems
Workshop "New Concepts in Nanophotonics", Garmisch-Partenkirchen, November
2009
A.S.Urban,M.Fedoruk,F.D.StefaniandJ.Feldmann
Nanometric phase transitions on phospholipid membranes using plasmonic heating of
single gold nanoparticles
th
The 54 Annual Meeting of the Biophysical Society, San Francisco, California,
February2010
vTableofContents
Kurzfassung ix
1 Introduction 1
2 Fundamentals 5
2.1 OpticalandThermalPropertiesofGoldNanoparticles . . . . . . . . 6
2.1.1 OpticalProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1.1 DielectricPropertiesofGold . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1.2 ElectrodynamicCalculationsofSphericalParticles
(MieTheory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1.3 ElectrostaticandQuasi-StaticModeling . . . . . . 11
2.1.1.4 DampingMechanismsoftheSurfacePlasmon . . . 14
2.1.1.5 Factors Determining Position and Shape of the
PlasmonResonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 ThermalProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2.1 OpticalHeatingofGoldNanoparticles . . . . . . . 18
2.1.2.2 HeatTransfertoGoldNanoparticleSurroundings . 20
2.2 OpticalForces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Derjaguin-Landau-Verwey-OverbeekTheory . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 BiologicalMembranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 MembraneLipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 LipidBilayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 MethodsandMaterials 39
3.1 ExperimentalSetups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 DarkFieldMicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
viiTableofContents
3.1.2 UV-VIS-NIRSpectrophotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3 FluorescenceSpectr . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.4 Zeta-Sizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 SamplePreparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 GrowingGiantUnilamellarVesicles . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 ModifyingtheSurfaceofGoldNanoparticles . . . . . . . . . 49
3.2.3 PreparationofGlassCoverslips . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4 LaserPrintingofGoldNanoparticles 53
4.1 Method: PrinciplesandCalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 AccuracyandInWuenceofPrintingParameters . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 ApplicationsofSingleNanoparticleLaserPrinting . . . . . . . . . . . 71
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 ManipulatingPhospholipidMembraneswithGoldNanoparticles 81
5.1 AttachingGoldNanoparticlestoPhospholipidMembranes . . . . . . 82
5.2 GrowingGoldNanoparticlesDirectlyonPhospholipidMembranes . 85
5.3 Optical Heating of Gold Nanoparticles Attached to Phospholipid
Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4 OpticalInjectionofGoldNanoparticlesintoPhospholipidVesicles . . 112
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6 ConclusionsandOutlook 123
References 125
Acknowledgments 135
viiiKurzfassung
Die Plasmonresonanz von Goldnanopartikeln verleiht ihnen eine Reihe bedeutender Eigen-
schaften. So sind sie einerseits, bedingt durch den hohen Absorptionsquerschnitt, eXziente
optothermische Energiewandler und andererseits trotz ihrer geringen Größe über den
hohen Streuquerschnitt gut in Dunkelfeldmikroskopen zu erkennen. Diese Eigenschaften
werden in dieser Arbeit zum einen ausgenutzt, um die Goldnanopartikel als optothermische
Nanowerkzeuge für die Untersuchung und Manipulation von Phospholipidmembranen zu
verwenden. Zum anderen werden Goldpartikel mittels der optischen Kräfte, die ein Laser
aufsieausübt,mitnanometrischerPräzisionaufSubstrategedruckt.
Phospholipide sind der größte Bestandteil von biologischen Zellmembranen, welche die
Zellen von ihrer Umgebung abgrenzen und in denen viele wichtige Prozesse stattVnden.
Vesikel, bestehend aus einer Phospholipidmembran, dienten in den letzten Jahrzehnten
vermehrtalsZellmodelle. UmanVesikelnUntersuchungendurchführenzukönnen,mussten
die Goldnanopartikel erst an die Membranen gebunden werden. Durch einen Liganden-
tausch mit Lipidmolekülen auf der GoldoberWäche konnten wir eine stabile Bindung zu den
Vesikeln durch einfaches Mischen einer Vesikel- mit einer Goldlösung erzeugen. Als weitere
Möglichkeit für eine Bindung ließen wir Goldnanopartikel direkt auf der Vesikelmembran
wachsen. DurchVariierenderGoldionenkonzentrationunddurchEinbringenvongeladenen
Lipiden konnten Partikelgröße, -form und -dichte gezielt beeinWusst werden. Aus den optis-
chen Eigenschaften dieser Goldvesikel konnten wir ein Modell für das Wachstum erstellen.
DiemitdieserMethodehergestelltenVesikeleignensichnichtnuralsUntersuchungsobjekte
für Membranstudien, sondern sie bieten sich auch für den Transport von Medikamenten in
dasZellinnerean.
In weiteren Experimenten wurden Goldnanopartikel an Phospholipidvesikel gebunden und
mit einer zur Absorption resonanten Wellenlänge optothermisch geheizt. Bei Leistungs-
2
dichten oberhalb von 300kW/cm wurden Vesikel gezielt durch das Aufheizen der Gold-
nanopartikel zerstört. Bei niedrigeren Leistungsdichten war es mit einzelnen, an Vesikel in
der Gelphase gebundenen Goldnanopartikeln möglich, einen reversiblen Phasenübergang
der Vesikelmembran in die Wüssige Phase zu induzieren. Dieser konnte durch eine
erhöhte DiUusion der Goldnanopartikel in der Membran nachgewiesen und charakterisiert
werden. Die DiUusion konnte außerdem zur Untersuchung von Membrandynamiken im
Nanometerbereich genutzt werden. Dies wurde am Beispiel einer Messung der Aus-
breitungsgeschwindigkeit der Wüssigen Phase durch die Gelphase gezeigt. Mit solch
kontrollierten Phasenübergängen und geeigneten Veränderungen der Eigenschaften des
Laserstrahls konnten die Goldnanopartikel mit einer im Nanometerbereich liegenden Präzi-
sion an vorbestimmte Orte auf der Vesikelmembran geführt werden. Im Weiteren wurde
eine Möglichkeit zur optischen Injektion von Goldnanopartikeln in Phospholipidvesikel
untersucht,welcheeinenweiterenmöglichenAnsatzzumgezieltenMedikamententransport
darstellt.
Darüber hinaus wurde eine neuartige Methode entwickelt, um einzelne Goldnanopartikel
mit einer Präzision von einigen Nanometern auf einer SubstratoberWäche zu platzieren.
Diese Methode bedient sich der durch einen Laser ausgeübten optischen Kräfte um die
Nanopartikel aus der Lösung einzufangen, sie zur gewünschten Position zu führen und
die elektrostatische Abstoßung zu überwinden, sodass die Goldnanopartikel durch Van-der-
Waals Kräfte fest mit der SubstratoberWäche verbunden werden. Die Wal einer optimalen
LeistungsdichteunddieWellenlängedesLasersergibtsichauseinemKompromisszwischen
Druckpräzision und Druckgeschwindigkeit. Diese Methode ist sehr präzise, schnell und
vielseitig und dürfte bei der Herstellung von Nanostrukturen auf OberWächen in Zukunft
einegrößereRollespielen.