Plasmonic Gold Nanorods as Probes of Soft Matter and Biological Systems
Doctoral thesis, 2026

Motion and structure at the nanoscale encode information about local forces, mechanical
properties, and dynamic interactions that are difficult to access using conventional
measurement techniques. This challenge is particularly pronounced in biological and
soft-matter systems, where fluctuations and structural changes demand probes combining
minimal perturbation with high spatial and temporal sensitivity. Plasmonic gold
nanorods provide such a platform. Their localized surface plasmon resonance gives rise
to strong light scattering for sensitive optical readout, while optical forces and torques
enable controlled trapping, translation and rotation.

This thesis explores gold nanorods as nanoscale probes in complex biological and physical
environments. Single nanorods are optically trapped and driven to rotate by circularly
polarized light, transducing local mechanical activity into rotational-frequency
fluctuations. Applied to living endothelial cells, this light-driven nanomotor platform
resolves heterogeneous nanoscale motions across the nucleus, perinuclear region, and
cell periphery, and uncovers transient oscillations that reveal short-lived mechanical
events typically inaccessible to conventional methods. The same rotational control,
applied beyond biology, enables low-contact profilometry through lateral scanning of
a trapped nanorod over nanoscale surface features. In another approach, nanorods
serve as intracellular tracers of vesicular motion. Dark-field microscopy combined with
deep-learning-based particle tracking and state segmentation enables long-duration,
high-throughput analysis of intracellular transport in prostate cancer cells, resolving
confined, diffusive, and directed motion across large trajectory ensembles. This reveals
distinct transport phenotypes, with diffusion dominating in both cell lines and directed
transport occurring as short-lived bursts. Nanorod surface chemistry further shapes
this behavior, modulating the coupling between vesicle loading and active transport.
Together, these studies establish plasmonic gold nanorods as a versatile platform for
probing nanoscale dynamics with minimal perturbation across biological and physical
systems. The results highlight the pronounced heterogeneity of such environments and
demonstrate how a single nanoscale probe, viewed through light, can resolve motion
and structure across diverse complex systems.

Living Cells

Nanoscale

Cell Dynamics

Diffusion

Optical Tweezers

Profilometry

Dark Field Microscopy

Intracellular transport

Nanorod Rotation

PJ-salen, Origo Fysik, Kemigården 1.
Opponent: Patricia Haro González, Autonomous University of Madrid, Spanien.

Author

Emelie Tornéus

Chalmers, Physics, Nano and Biophysics

På nanonivå beter sig världen helt annorlunda än i vår vardag. De minsta partiklarna är så små och lätta att en enda krock med en vattenmolekyl räcker för att sätta dem i rörelse. Det är i denna värld som livets minsta byggstenar, cellerna, finns. Inuti en levande cell pågår en intensiv aktivitet, där molekyler och organeller transporteras kors och tvärs, signaler skickas och cellen själv kan dela sig eller förflytta sig. Många av dessa processer förändras när en cell blir sjuk, och att kunna avläsa cellernas rörelser kan därför hjälpa oss att förstå hur sjukdomar uppstår och hur de kan behandlas. Men rörelserna är så små att de sker långt under det som ett vanligt mikroskop kan urskilja, och vi behöver därför ett verktyg som är lika litet som rörelserna själva, men ändå så varsamt att det inte stör cellen.

I denna avhandling används små stavar av guld, så kallade guldnanostavar, som ett sådant verktyg. Guld i den här storleksskalan har en speciell egenskap: det växelverkar väldigt starkt med ljus, vilket gör det möjligt att både styra stavarna och avläsa deras rörelser med stor precision. Genom att fokusera en laserstråle till en så kallad optisk pincett kan en enskild nanostav fångas i ljuset och sättas i rotation. När den placeras intill en cell fungerar den som ett slags stetoskop som lyssnar på de små rörelser och förändringar som pågår vid cellens yta. Samma teknik kan också användas för att kartlägga ytor på nanonivå, genom att låta den fångade staven svepa över ett material och kartlägga dess struktur, helt utan kontakt. Guldnanostavarna har dessutom använts inuti celler, där de följts för att kartlägga transporten i två olika typer av prostatacancerceller med olika aggressivitet. Resultaten visar att guldnanostavar är mångsidiga och varsamma verktyg för att studera nanovärldens dynamik, och bidrar med ny kunskap om både livets minsta byggstenar och den nanovärld som omger oss.

Tracking cellular nanomotions with optically controlled rotary nanomotors

Swedish Research Council (VR) (2023-05380), 2024-01-01 -- 2027-12-31.

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology

Life Science Engineering (2010-2018)

Subject Categories (SSIF 2025)

Biophysics

Physical Sciences

Roots

Basic sciences

DOI

10.63959/chalmers.dt/5882

ISBN

978-91-8103-425-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5882

Publisher

Chalmers

PJ-salen, Origo Fysik, Kemigården 1.

Opponent: Patricia Haro González, Autonomous University of Madrid, Spanien.

More information

Created

5/8/2026 8