Anwendung der optischen Frequenzverdopplung in der Partikelmesstechnik

Diese Arbeit beschftigt sich mit der Anwendung der optischen Frequenzverdopplung (SHG) zur Charakterisierung von Partikeln und insbesondere von Partikeloberflchen.
 Whrend die SHG-Spektroskopie in der Untersuchung makroskopischer Oberflchen lngst etabliert ist, handelt es sich in der Partikelmesstechnik noch um eine vllig neue Messmethode.
 In einem ersten Schritt wurde zunchst ein SHG-Spektrometer aufgebaut und im Laufe der Zeit immer weiter fr die Messung an kolloidalen Systemen optimiert. Dabei flossen die gewonnen Erkenntnisse aus systematischen Parameterstudien in die Optimierung des Aufbaus ein. Durch den Aufbau automatisierter Komponenten kann eine Vielzahl an Messreihen inzwischen computergesteuert durchgefhrt werden.
 Nachdem in ersten Versuchen nachgewiesen wurde, dass SHG-Signale an Partikeloberflchen entstehen knnen, erfolgte eine Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration auf die Qualitt des Messergebnisses. Dabei wurde, abhngig vom untersuchten Stoffsystem und der betrachteten Partikelgre, ein fr die Messungen optimaler Konzentrationsbereich gefunden, welcher sich nicht nur experimentell, sondern auch numerisch anhand eines entwickelten Modells, bestimmen lsst. In winkelaufgelsten Streulichtuntersuchungen konnte zudem gezeigt werden, dass auch Suspensionen hoher Partikelkonzentration, bei denen im Transmissionsaufbau eine Messung nicht mehr mglich ist, starke SHG-Signale in Rckstreurichtung liefern. Auerdem wiesen die Messwerte analog zur linearen Lichtstreuung – wenngleich auch anders im Verlauf – ein charakteristisches Streulichtprofil fr unterschiedliche Partikelgren auf, welches sich nherungsweise ber ein modifiziertes Rayleigh-Gans-Debye-Modell aus der Literatur beschreiben lsst. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine optimale Justage der Detektionsoptik stark von der Art und Position der Probenkvette abhngt.
 Als erste Anwendung der SHG-Spektroskopie wurden Adsorptionsmessungen durchgefhrt.
 Es konnte gezeigt werden, dass diese prinzipiell mglich sind. Allerdings mssen dazu sowohl die Partikeln, als auch das Adsorptiv bestimmte Voraussetzungen erfllen.
 Anhand eines Modellsystem, welches vergleichsweise hohe Signale liefert, wurden die Einflsse verschiedener Parameter, wie die Partikelkonzentration und -gre, die Ionenstrke, die Temperatur und der pH-Wert der Suspension, auf den Adsorptionsprozess untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der Adsorption durch alle Parameter beeinflusst werden kann, whrend die maximale Anzahl an adsorbierten Moleklen nur von der Ionenstrke und dem pH-Wert abhngt. Im Falle sehr rauer Oberflchen oder inversionssymetrischer, nicht absorbierender Adsorptivmolekle kann eine direkte Messung nicht durchgefhrt werden. Im zweiten Fall besteht jedoch die Alternative, das Adsorptionsverhalten ber eine Verdrngungsadsorption zu charakterisieren.
 Dies wurde erfolgreich fr das System Dapral auf Polystyrolpartikeln angewendet. Die Strke der SHG-Methode im Vergleich zu klassischen Messverfahren, wie beispielsweise der Zentrifugenmethode, liegt in der hohen Zeitauflsung, die eine Messung der Prozessdynamik erlaubt, sowie derMglichkeit unter „extremen“ Umgebungsbedingungen, wie z. B. hohen Temperaturen oder Drcken, messen zu knnen.
 Eine weitere Anwendung der Methode liegt in der Messung von Partikeloberflchenpotentialen.
 Hier konnte gezeigt werden, dass die SHG-Intensitt vom Sternpotential der Partikeln abhngt und somit bei geeigneter Kalibrierung zur Messung dieser, sonst durch keine experimentelle Methode zugnglichen, Gre verwendet werden kann. Im Gegensatz zum etablierten ζ-Potential, liefert das SHG-Signal Informationen ber die Ladung direkt an der Partikeloberflche, wodurch auch die Anlagerung von Ionen gemessen wird.
 Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit war die Anwendung der nichtkohrenten SHG, der sogenannten Hyper-Rayleigh Streuung (HRS), zur Charakterisierung nanoskaliger Partikeln. Zunchst wurden mizellare Strukturen aus amphiphilenMakromoleklen untersucht. Es gelang, Konformationsnderungen der einzelnen Makromolekle der Mizellen bei nderung der Polaritt des umgebenden Lsemittels zu beobachten.
 Auerdem konnte der Phasentransfer eines unlslichen Farbstoffs, vom ungelsten Ausgangszustand, ber das Wandern zu den Mizelloberflchen, bis zum Einschluss innerhalb der Mizellen zeitaufgelst gemessen werden. In beiden Messungen war die extreme Empfindlichkeit der molekularen Hyperpolarisierbarkeit auf die Moleklkonformation die Ursache fr die beobachteten Signalnderungen.
 Am Modellsystem Gold, das aufgrund von Plasmonenresonanzen vergleichsweise hohe HRS-Signale liefert, wurde die Dynamik einer durch Pyridin initiierten Agglomeration 14nm groer Kugeln untersucht. Die dabei beobachtete Zunahme der nichtlinearen optischen Antwort wurde auf die Verringerung der Symmetrie des Systems zurckgefhrt.
 In einem weiteren Experiment wurde zum ersten Mal der Einfluss der Partikelform auf das HRS-Signal bestimmt. Zu Kugeln reifende Goldnanostbchen zeigten eine abnehmende Hyperpolarisierbarkeit.
 Durch die Messung der partikulren Hyperpolarisierbarkeit whrend des langsamen Prozesses der Ostwaldreifung von etwa 2,0nm zu 4,5 nm groen Zinkoxidkugeln konnte der 145 Zusammenhang zwischen Partikelgre und Hyperpolarisierbarkeit – fr dieses Stoffsystem und in diesem Grenbereich – experimentell ermittelt werden. Es gelang in einer weiteren, zeitaufgelsten Messung zudem die Dynamik der Zinkoxid-Partikelfllung zu untersuchen, wobei unterschiedliche Teilschritte des Prozesses aufgelst wurden. Bei diesen beiden Messungen handelt es sich um die ersten HRS-Messungen am Stoffsystem Zinkoxid berhaupt.
 Abschlieend lsst sich zusammenfassen, dass die durchgefhrte Arbeit das enorme Potential sowohl von SHG als auch von HRS fr die Partikelmesstechnik aufzeigt. Beide Methoden erlauben den Zugang zu bisher nicht messbaren Eigenschaften von Partikeln und knnen dadurch zu einem verbesserten Verstndnis der immer bedeutungsvolleren Mikro- und Nanowelt beitragen. Es ist daher fr die nahe Zukunft mit einer wachsenden Bedeutung dieses Messverfahrens zu rechnen. Wichtig wird dabei vor allem die Entwicklung geeigneter theoretischer Modelle sein, um die Interpretation der Messergebnisse zu erleichtern.
 

Klappentext

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der optischen Frequenzverdopplung (SHG) zur Charakterisierung von Partikeln und insbesondere von Partikeloberflächen.
 Während die SHG-Spektroskopie in der Untersuchung makroskopischer Oberflächen längst etabliert ist, handelt es sich in der Partikelmesstechnik noch um eine völlig neue Messmethode.
 In einem ersten Schritt wurde zunächst ein SHG-Spektrometer aufgebaut und im Laufe der Zeit immer weiter für die Messung an kolloidalen Systemen optimiert. Dabei flossen die gewonnen Erkenntnisse aus systematischen Parameterstudien in die Optimierung des Aufbaus ein. Durch den Aufbau automatisierter Komponenten kann eine Vielzahl an Messreihen inzwischen computergesteuert durchgeführt werden.
 Nachdem in ersten Versuchen nachgewiesen wurde, dass SHG-Signale an Partikeloberflächen entstehen können, erfolgte eine Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration auf die Qualität des Messergebnisses. Dabei wurde, abhängig vom untersuchten Stoffsystem und der betrachteten Partikelgröße, ein für die Messungen optimaler Konzentrationsbereich gefunden, welcher sich nicht nur experimentell, sondern auch numerisch anhand eines entwickelten Modells, bestimmen lässt. In winkelaufgelösten Streulichtuntersuchungen konnte zudem gezeigt werden, dass auch Suspensionen hoher Partikelkonzentration, bei denen im Transmissionsaufbau eine Messung nicht mehr möglich ist, starke SHG-Signale in Rückstreurichtung liefern. Außerdem wiesen die Messwerte analog zur linearen Lichtstreuung – wenngleich auch anders im Verlauf – ein charakte…