Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix für die Multianalyt-Sensorik

Gegenstand und Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix, welche für die Herstellung eines vielseitig verwendbaren Sensors, der mehrere Analyten (Proteine, DNA etc.) in hoher Verdünnung (c0 < 50 fM) aus kleinsten Probenmengen (Volumina <20 nl) schnell (t < 1 min) und parallel nachweisen kann, Verwendung finden soll. Der Fokus der Arbeit lag dabei in der Synthese und Charakterisierung von Copolymeren als Hydrogelmatrix, welche geeignetes temperaturabhängiges Verhalten zeigen. Die Copolymere wurden in eine dreidimensionale Netzwerkstruktur überführt und auf einer Goldoberfläche kovalent angebunden, um Delamination zu vermeiden und die Untersuchung mittels Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischer Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) zu erlauben. Weiterhin wurde das temperaturabhängige Verhalten der Polymernetzwerke in Wasser mittels optischen Messungen (SPR/OWS) untersucht, um Erkenntnisse über die Quell- und Kollabiereigenschaften des Hydrogels zu gewinnen. Um temperaturschaltbare Hydrogele herzustellen, wurden auf N-Isopropylacrylamid (NIPAAm) basierende Polymere synthetisiert. Es wurde sowohl die für Hydrogele übliche Methode der freien radikalischen Vernetzungspolymerisation in Wasser, wie eine neue, auf Benzophenoneinheiten basierende Syntheseroute, welche die freie radikalische Polymerisation in organischem Medium nutzt, verwendet. Die synthetisierten Polymere sind Copolymere aus N‑Isopropylacrylamid (NIPAAm) und 4-Methacryloyloxybenzophenon (MABP). NIPAAm ist dabei für das temperaturschaltbare Verhalten der Gele verantwortlich und MABP dient als Photovernetzer. Weitere Copolymere, die neben den genannten Monomeren noch andere Funktionen, wie z.B. ionische Gruppen oder Aktivesterfunktionen enthalten, wurden ebenfalls synthetisiert. Das temperaturabhängige Quellverhalten in Bezug auf die chemische Zusammensetzung wurde mit der Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (SPR) und Optischen Wellenleiter-Spektroskopie (OWS) untersucht. Es zeigte sich, dass die Anwesenheit von Salz im Hydrogel (Natriumacrylat als Monomer, P4S) Inhomogenität, in Form eines Brechungsindexgradienten senkrecht zur Substratoberfläche, hervorruft. Dies ist nicht der Fall, wenn statt des Salzes die Säure (Methacrylsäure als Monomer, P4A) verwendet wird. Durch die Inhomogenität lassen sich die Filme mit dem Natriummethacrylat nicht mehr mit dem, üblicherweise zur Auswertung genutzten, Kastenmodell beschreiben. Die Anwendung der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung (WKB) auf die Messdaten führt hingegen zu dem gewünschten Ergebnis. Man findet ein kastenähnliches Brechungsindexprofil für das Hydrogel mit der Säure (P4A) und ein Gradientenprofil für das Gel mit dem Salz (P4S). Letzteres ist nicht nur hydrophiler und insgesamt stärker gequollen, sondern ragt auch weiter in die überstehende Wasserphase hinein. Anhand eines säurehaltigen Hydrogels (P8A) konnte der quellungshemmende Einfluss von hohen Salzkonzentrationen gezeigt werden. Weiterhin wurde während des Quellvorgangs eine gewisse Anisotropie gefunden, die aber im vollständig gequollenen und vollständig kollabierten Zustand nicht mehr vorliegt. Anhand eines Hydrogels ohne ionisierbare Gruppen (P9) wurde die Reversibilität des Quell- und Kollabiervorgangs gezeigt. Bei einem Vergleich zwischen einem säurehaltigen Hydrogel (P8A, Quellgrad von 7,3) und einem ohne ionisierbare Gruppen (P9, Quellgrad von 6,1), hat die Anwesenheit der 8 mol% Säuregruppen eine leichte Verstärkung der Quellung um den Faktor 1,2 bewirkt. Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen (AFM) an diesen beiden Hydrogelen im getrockneten Zustand, haben gezeigt, dass nach dem Quellen, Kollabieren und Trocknen bei beiden Gelen Porenstrukturen sehr unterschiedlicher Ausmaße vorliegen.

The aim of this work was the synthesis and characterization of a hydrogel-matrix which is supposed to be the main component of a versatile sensor that can detect analytes (proteins, DNA, etc.) in very diluted solutions (c0 < 50 fM) from small volumes (V < 20 nl) quickly (t < 1 min) and parallel. The focus of this work is the synthesis and characterization of copolymers which show a suitable thermo-responsive behavior. The copolymers were transferred to a three-dimensional network structure and covalently attached to a gold surface to prevent delamination and allow for investigations with surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) and optical waveguide spectroscopy (OWS). In addition, the temperature-dependent behavior of the polymer networks in water was studied with optical measurements (SPR/OWS) to gain knowledge of the swelling and collapsing characteristics of the hydrogels. In order to synthesize the temperature-switchable hydrogels polymers based on N‑isopropylacrylamide (NIPAAm) were synthesized. The typical method of hydrogel synthesis, the free radical crosslinking polymerization in water, was studied as well as a new benzophenone-based synthesis route which utilizes the free radical polymerization in organic medium. The synthesized polymers are copolymers consisting of N-isopropylacrylamide (NIPAAm) and 4-methacryloyloxy benzophenone (MABP). NIPAAm is responsible for the temperature-switchable behavior of the gels and MABP is used for photo-crosslinking. Additional copolymers which contain other functionalities besides the mentioned monomers, e.g. ionic groups or active ester functions, were synthesized as well. The temperature-dependent swelling behavior was investigated with surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) and optical waveguide spectroscopy (OWS) with regard to the chemical composition. The presence of salt in the hydrogel (sodium acrylate as monomer, P4S) resulted in an inhomogeneous film with a refractive index gradient perpendicular to the substrate surface. This was not the case if the acid (methacrylic acid as monomer, P4A) was used instead of the salt. Due to the inhomogeneities the films with the sodium acrylate could not be analyzed with the typically used box model. The application of the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation (WKB) to the measured data led to the desired result. A refractive index profile similar to a box was obtained for the hydrogel with the acid (P4A) and a gradient profile for the gel with the salt (P4S). The latter was not only more hydrophilic and showed a stronger swelling, but also extended further into the water phase above the gel. For an acid-containing hydrogel (P8A) the swelling-dampening influence of high salt concentrations could be shown. In addition a transient anisotropy was found, which did not exist in the completely swollen or completely collapsed state. For a hydrogel without ionic groups (P9) the reversibility of the swelling and collapsing process was shown. A comparison of an acid-containing hydrogel (P8A, swelling factor of 7.3) and one without ionic groups (P9, swelling factor of 6.1) showed that the presence of 8 mol% of acid groups resulted in a slight increase of the swelling factor of 1.2. AFM measurements of these two hydrogels in the dry state showed porous structures of different sizes for both of the hydrogels after swelling, collapsing and drying.