New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

Nanostructuring by templated synthesis of nanowires and controlled crystallization of calcium phosphate on self-assembled monolayers

The idea was to obtain nanowires in a chemical laboratory under convenient and simple conditions by employing templates. Thus it was possible to produce nanochains by interlinking of gold colloids synthesized by the two-phase-method of M. Brust with by making use of vanadiumoxide nanotubes as template. The length of the resulting nanowires is varying between 1100 nm and 200 nm with a diameter of about 16 nm. Due to a flexible linker the obtained nanowires are not completely rigid. These unique structural features could make them interesting objects for structuring and assembling in the nanoscale range. Another way to produce gold nanowires was realized by a two-step surface metallization procedure, using type I collagen fibres as a template. Gold colloids were used to label the collagen fibres by direct electrostatic interaction, followed by growth steps to enhance the size of the adsorbed colloidal gold crystals, resulting in a complete metallization of the template surface. The length of the resulting gold nanowires reaches several micrometers, with a diameter ~ 100 to 120 nm. To gain a deeper insight into the process of biomineralization the cooperative effect of self-assembled monolayers as substrate and a soluble counterpart on the nucleation and crystal growth of calcium phosphate was studied by diffusion techniques with a pH switch as initiator. As soluble component Perlucin and Nacrein were used. Both are proteins originally extracted from marine organisms, the first one from the Abalone shell and the second one from oyster pearls. Both are supposed to facilitate the calcium carbonate formation in vivo. Studies with Perlucin revealed that this protein shows a clear cooperative effect at a very low concentration with a hydrophobic surface promoting the calcium phosphate precipitation resulting in a sponge like structure of hydroxyapatite. The Perlucin molecule is very flexible and is unfolded by adsorbing to the hydrophobic surface and uncovers its active side. Hydrophilic surfaces did not have a deeper impact. Studies with Nacrein as additive have shown that the protein stabilizes octacalcium phosphate at room temperature on carboxylic self-assembled monolayer and at 34 °C on all other employed surfaces by interaction with the mineral. On the hydroxyl-, alkyl-, and amin-terminated self-assembled monolayers at room temperature the octacalcium phosphate get transformed to hydroxyapatite. Main analytical techniques which are used in this work are transmission electron microscopy, high resolution scanning electron microscopy, surface plasmon resonance spectroscopy, atomic force microscopy, Raman micro-spectroscopy and quartz crystal microbalance.

Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter

Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme'' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.rnrnDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.rnrnDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft.

Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus an dünnen Heusler-Filmen

Verbindungen aus nicht ferromagnetischen Bestandteilen, die ferromagnetische Eigenschaf-ten zeigen, sind seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt und werden nach ihrem Entdecker als Heusler-Verbindungen bezeichnet. Seitdem haben sie nichts von ihrer Faszination eingebüßt, besitzen sie doch eine Fülle besonderer Eigenschaften mit Anwendungen z.B. in der Spintronik.rnAuf der Suche nach geeigneten Legierungen ist es wünschenswert, zunächst grundlegende Eigenschaften wie das magnetische Moment elementspezifisch bestimmen zu können. Hierfür sind Methoden wie Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XAS/XMCD) prädestiniert.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt, mit deren Hilfe XAS- und XMCD-Messungen an dünnen Heusler-Filmen durchgeführt werden können. Da Grenzflächeneigenschaften von besonderem Interesse sind, wurde der experimentelle Aufbau so gewählt, dass gleichzeitig Volumen und Oberflächeneigenschaften untersucht werden können. Durch Vergleich dieser Messdaten erhält man Zugang zu den Grenzflächeneigenschaften.rnSo konnte mit XAS-Messungen nachgewiesen werden, dass sich die chemischen Eigenschaften an der Grenzfläche mancher Filme von denen im Volumen des Films unterscheiden (Oxidation bzw. Interdiffusion der Abdeckschicht). Auch stöchiometrische Unterschiede zwischen Oberfläche und Volumen konnten so identifiziert werden.rnMit Hilfe von XMCD-Messungen wurden elementspezifische magnetische Momente bestimmt und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Auch hierbei konnten Oberflächen- und Volumenmomente miteinander verglichen werden. So wurde z.B. unter Verwendung einer Schichtserie die Anzahl magnetischer Totlagen an beiden Grenzflächen bestimmt. Diese Informationen sind wichtig, um die Qualität dünner Filme steigern zu können.rnDes Weiteren war es auch möglich, temperaturabhängige Änderungen in der Ni2MnGa Zustandsdichte, die von der Theorie vorhergesagt wurden, in den XAS-Spektren nachzuweisen. Schließlich wurde noch eine Methode entwickelt, die es erlaubt, unter bestimmten Voraussetzungen auf die partielle unbesetzte Zustandsdichte (PDOS) zu schließen. Dies liefert wichtige Hinweise auf Lage und Breite der bisher nur theoretisch vorhergesagten Bandlücke. Es ist mit der hier vorgestellten Methode nicht möglich, die gesamte PDOS für alle Elemente zu vermessen, doch können so relativ leicht vielversprechende Kandidaten für weitere Untersuchungen gefunden werden.rn

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Band structure of Heusler compounds studied by photoemission and tunneling spectroscopy

Heusler compounds are key materials for spintronic applications. They have attracted a lot of interest due to their half-metallic properties predicted by band structure calculations.rnThe aim of this work is to evaluate experimentally the validity of the predictions of half metallicity by band structure calculations for two specific Heusler compounds, Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa. Two different spectroscopy methods for the analysis of the electronic properties were used: Angular Resolved Ultra-violet Photoemission Spectroscopy (ARUPS) and Tunneling Spectroscopy.rnHeusler compounds are prepared as thin films by RF-sputtering in an ultra-high vacuum system. rnFor the characterization of the samples, bulk and surface crystallographic and magnetic properties of Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa are studied. X-ray and electron diffraction reveal a bulk and surface crossover between two different types of sublattice order (from B2 to L21) with increasing annealing temperature. X-ray magnetic circular dichroism results show that the magnetic properties in the surface and bulk are identical, although the magnetic moments obtained are 5% below from the theoretically predicted.rnBy ARUPS evidence for the validity of the predicted total bulk density of states (DOS) was demonstrated for both Heusler compounds. Additional ARUPS intensity contributions close to the Fermi energy indicates the presence of a specific surface DOS. Moreover, it is demonstrated that the crystallographic order, controlled by annealing, plays an important role on brodening effects of DOS features. Improving order resulted in better defined ARUPS features.rnTunneling magnetoresistance measurements of Co2FeAl0.3Si0.7 and Co2MnGa based MTJ’s result in a Co2FeAl0.3Si0.7 spin polarization of 44%, which is the highest experimentally obtained value for this compound, although it is lower than the 100% predicted. For Co2MnGa no high TMR was achieved.rnUnpolarized tunneling spectroscopy reveals contribution of interface states close to the Fermi energy. Additionally magnon excitations due to magnetic impurities at the interface are observed. Such contributions can be the reason of a reduced TMR compared to the theoretical predictions. Nevertheless, for energies close to the Fermi energy and for Co2MnGa, the validity of the band structure calculations is demonstrated with this technique as well.

Atomic-scale characterization of diamond surfaces and fullerene self-assembly

In this thesis, elemental research towards the implantation of a diamond-based molecular quantum computer is presented. The approach followed requires linear alignment of endohedral fullerenes on the diamond C(100) surface in the vicinity of subsurface NV-centers. From this, four fundamental experimental challenges arise: 1) The well-controlled deposition of endohedral fullerenes on a diamond surface. 2) The creation of NV-centers in diamond close to the surface. 3) Preparation and characterization of atomically-flat diamondsurfaces. 4) Assembly of linear chains of endohedral fullerenes. First steps to overcome all these challenges were taken in the framework of this thesis. Therefore, a so-called “pulse injection” technique was implemented and tested in a UHV chamber that was custom-designed for this and further tasks. Pulse injection in principle allows for the deposition of molecules from solution onto a substrate and can therefore be used to deposit molecular species that are not stable to sublimation under UHV conditions, such as the endohedral fullerenes needed for a quantum register. Regarding the targeted creation of NV-centers, FIB experiments were carried out in cooperation with the group of Prof. Schmidt-Kaler (AG Quantum, Physics Department, Johannes Gutenberg-Universität Mainz). As an entry into this challenging task, argon cations were implanted into (111) surface-oriented CaF2 crystals. The resulting implantation spots on the surface were imaged and characterized using AFM. In this context, general relations between the impact of the ions on the surface and their valency or kinetic energy, respectively, could be established. The main part of this thesis, however, is constituted by NCAFM studies on both, bare and hydrogen-terminated diamond C(100) surfaces. In cooperation with the group of Prof. Dujardin (Molecular Nanoscience Group, ISMO, Université de Paris XI), clean and atomically-flat diamond surfaces were prepared by exposure of the substrate to a microwave hydrogen plasma. Subsequently, both surface modifications were imaged in high resolution with NC-AFM. In the process, both hydrogen atoms in the unit cell of the hydrogenated surface were resolved individually, which was not achieved in previous STM studies of this surface. The NC-AFM images also reveal, for the first time, atomic-resolution contrast on the clean, insulating diamond surface and provide real-space experimental evidence for a (2×1) surface reconstruction. With regard to the quantum computing concept, high-resolution NC-AFM imaging was also used to study the adsorption and self-assembly potential of two different kinds of fullerenes (C60 and C60F48) on aforementioned diamond surfaces. In case of the hydrogenated surface, particular attention was paid to the influence of charge transfer doping on the fullerene-substrate interaction and the morphology emerging from self-assembly. Finally, self-assembled C60 islands on the hydrogen-terminated diamond surface were subject to active manipulation by an NC-AFM tip. Two different kinds of tip-induced island growth modes have been induced and were presented. In conclusion, the results obtained provide fundamental informations mandatory for the realization of a molecular quantum computer. In the process it was shown that NC-AFM is, under proper circumstances, a very capable tool for imaging diamond surfaces with highest resolution, surpassing even what has been achieved with STM up to now. Particular attention was paid to the influence of transfer doping on the morphology of fullerenes on the hydrogenated diamond surface, revealing new possibilities for tailoring the self-assembly of molecules that have a high electron affinity.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Local dynamics and bending mechanics of mesostructured materials

Die vorliegende Arbeit behandelt die Anwendung der Rasterkraftmikroskopie auf die Untersuchung mesostrukturierter Materialien. Mesostrukturierte Materialien setzen sich aus einzelnen mesoskopen Bausteinen zusammen. Diese Untereinheiten bestimmen im Wesentlichen ihr charakteristisches Verhalten auf äußere mechanische oder elektrische Reize, weshalb diesen Materialien eine besondere Rolle in der Natur sowie im täglichen Leben zukommt. Ein genaues Verständnis der Selbstorganisation dieser Materialien und der Wechselwirkung der einzelnen Bausteine untereinander ist daher von essentieller Bedeutung zur Entwicklung neuer Synthesestrategien sowie zur Optimierung ihrer Materialeigenschaften. Die Charakterisierung dieser mesostrukturierten Materialien erfolgt üblicherweise mittels makroskopischer Analysemethoden wie der dielektrischen Breitbandspektroskopie, Thermogravimetrie sowie in Biegungsexperimenten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich diese Analysemethoden mit der Rasterkraftmikroskopie verbinden lassen, um mesostrukturierte Materialien zu untersuchen. Die Rasterkraftmikroskopie bietet die Möglichkeit, die Oberfläche eines Materials abzubilden und zusätzlich dazu seine quantitativen Eigenschaften, wie die mechanische Biegefestigkeit oder die dielektrische Relaxation, zu bestimmen. Die Übertragung makroskopischer Analyseverfahren auf den Nano- bzw. Mikrometermaßstab mittels der Rasterkraftmikroskopie erlaubt die Charakterisierung von räumlich sehr begrenzten Proben bzw. von Proben, die nur in einer sehr kleinen Menge (<10 mg) vorliegen. Darüberhinaus umfasst das Auflösungsvermögen eines Rasterkraftmikroskops, welche durch die Größe seines Federbalkens (50 µm) sowie seines Spitzenradius (5 nm) definiert ist, genau den Längenskalenbereich, der einzelne Atome mit der makroskopischen Welt verbindet, nämlich die Mesoskala. In dieser Arbeit werden Polymerfilme, kolloidale Nanofasern sowie Biomineralien ausführlicher untersucht.rnIm ersten Projekt werden mittels Rasterkraftmikroskopie dielektrische Spektren von mischbaren Polymerfilmen aufgenommen und mit ihrer lokalen Oberflächenstruktur korreliert. Im zweiten Projekt wird die Rasterkraftmikroskopie eingesetzt, um Biegeexperimente an kolloidalen Nanofasern durchzuführen und so ihre Brucheigenschaften genauer zu untersuchen. Im letzten Projekt findet diese Methode Anwendung bei der Charakterisierung der Biegeeigenschaften von Biomineralien. Des Weiteren erfolgt eine Analyse der organischen Zusammensetzung dieser Biomineralien. Alle diese Projekte demonstrieren die vielseitige Einsetzbarkeit der Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung mesostrukturierter Materialien. Die Korrelation ihrer mechanischen und dielektrischen Eigenschaften mit ihrer topographischen Beschaffenheit erlaubt ein tieferes Verständnis der mesoskopischen Materialien und ihres Verhaltens auf die Einwirkung äußerer Stimuli.rn

Detrimental effects of exuberant and restrained immune responses against the central nervous system in the context of multiple sclerosis and glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and most aggressive astrocytic tumor of the central nervous system (CNS) in adults. The standard treatment consisting of surgery, followed by a combinatorial radio- and chemotherapy, is only palliative and prolongs patient median survival to 12 to 15 months. The tumor subpopulation of stem cell-like glioma-initiating cells (GICs) shows resistance against radiation as well as chemotherapy, and has been suggested to be responsible for relapses of more aggressive tumors after therapy. The efficacy of immunotherapies, which exploit the immune system to specifically recognize and eliminate malignant cells, is limited due to strong immunosuppressive activities of the GICs and the generation of a specialized protective microenvironment. The molecular mechanisms underlying the therapy resistance of GICs are largely unknown. rnThe first aim of this study was to identify immune evasion mechanisms in GICs triggered by radiation. A model was used in which patient-derived GICs were treated in vitro with fractionated ionizing radiation (2.5 Gy in 7 consecutive passages) to select for a more radio-resistant phenotype. In the model cell line 1080, this selection process resulted in increased proliferative but diminished migratory capacities in comparison to untreated control GICs. Furthermore, radio-selected GICs downregulated various proteins involved in antigen processing and presentation, resulting in decreased expression of MHC class I molecules on the cellular surface and diminished recognition potential by cytotoxic CD8+ T cells. Thus, sub-lethal fractionated radiation can promote immune evasion and hamper the success of adjuvant immunotherapy. Among several immune-associated proteins, interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) was found to be upregulated in radio-selected GICs. While high expression of IFITM3 was associated with a worse overall survival of GBM patients (TCGA database) and increased proliferation and migration of differentiated glioma cell lines, a strong contribution of IFITM3 to proliferation in vitro as well as tumor growth and invasiveness in a xenograft model could not be observed. rnMultiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the CNS in young adults of the Western World, which leads to progressive disability in genetically susceptible individuals, possibly triggered by environmental factors. It is assumed that self-reactive, myelin-specific T helper cell 1 (Th1) and Th17 cells, which have escaped the control mechanisms of the immune system, are critical in the pathogenesis of the human disease and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). It was observed that in vitro differentiated interleukin 17 (IL-17) producing Th17 cells co-expressed the Th1-phenotypic cytokine Interferon-gamma (IFN-γ) in combination with the two respective lineage-associated transcription factors RORγt and T-bet after re-isolation from the CNS of diseased mice. Pathogenic molecular mechanisms that render a CD4+ T cell encephalitogenic have scarcely been investigated up to date. rnIn the second part of the thesis, whole transcriptional changes occurring in in vitro differentiated Th17 cells in the course of EAE were analyzed. Evaluation of signaling networks revealed an overrepresentation of genes involved in communication between the innate and adaptive immune system and metabolic alterations including cholesterol biosynthesis. The transcription factors Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 and Spi1, associated with thymocyte development and naïve T cells were upregulated in encephalitogenic CNS-isolated CD4+ T cells, proposing a contribution to T cell plasticity. Correlation of the murine T-cell gene expression dataset to putative MS risk genes, which were selected based on their proximity (± 500 kb; ensembl database, release 75) to the MS risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) proposed by the most recent multiple sclerosis GWAS in 2011, revealed that 67.3% of the MS risk genes were differentially expressed in EAE. Expression patterns of Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, and Thada were confirmed in independent experiments, suggesting a contribution to T cell pathogenicity. Functional analysis of Nfatc1 revealed that Nfatc1-deficient CD4+ T cells were restrained in their ability to induce clinical signs of EAE. Nfatc1-deficiency allowed proper T cell activation, but diminished their potential to fully differentiate into Th17 cells and to express high amounts of lineage cytokines. As the inducible Nfatc1/αA transcript is distinct from the other family members, it could represent an interesting target for therapeutic intervention in MS.rn

3D-ultrastructure, functions and stress responses of rhogocytes from the freshwater gastropods Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis

Rhogocytes, also termed ‘pore cells’, exist free in the hemolymph or embedded in the connective tissue of different body parts of molluscs, notably gastropods. These unique cells can be round, elongated or irregularly shaped, and up to 30 μm in diameter. Their hallmark is the so-called slit apparatus: i.e. pocket-like invaginations of the plasma membrane creating extracellular lacunae, bridged by cytoplasmic bars. These bars form distinctive slits of ca. 20 nm width. A slit diaphragm composed of proteins establishes a molecular sieve with holes of 20 x 20 nm. Different functions have been assigned to this special molluscan cell type, notably biosynthesis of the hemolymph respiratory protein hemocyanin. It has further been proposed, but not proven, that in the case of red-blooded snail species rhogocytes might synthesize the hemoglobin. However, the secretion pathway of these hemolymph proteins, and the functional role of the enigmatic slit apparatus remained unclear. Additionally proposed functions of rhogocytes, such as heavy metal detoxification or hemolymph protein degradation, are also not well studied. This work provides more detailed electron microscopical, histological and immunobiochemical information on the structure and function of rhogocytes of the freshwater snails Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis. By in situ hybridization on mantle tissues, it proves that B. glabrata rhogocytes synthesize hemoglobin and L. stagnalis rhogocytes synthesize hemocyanin. Hemocyanin is present, in endoplasmic reticulum lacunae and in vesicles, as individual molecules or pseudo-crystalline arrays. The first 3D reconstructions of rhogocytes are provided by means of electron tomography and show unprecedented details of the slit apparatus. A highly dense material in the cytoplasmic bars close to the diaphragmatic slits was shown, by immunogold labeling, to contain actin. By immunofluorescence microscopy, the protein nephrin was localized at the periphery of rhogocytes. The presence of both proteins in the slit apparatus supports the previous hypothesis, hitherto solely based on similarities of the ultrastructure, that the molluscan rhogocytes are phylogenetically related to mammalian podocytes and insect nephrocytes. A possible secretion pathway of respiratory proteins that includes a transfer mechanism of vesicles through the diaphragmatic slits is proposed and discussed. We also studied, by electron microscopy, the reaction of rhogocytes in situ to two forms of animal stress: deprivation of food and cadmium contamination of the tank water. Significant cellular reactions to both stressors were observed and documented. Notably, the slit apparatus surface and the number of electron-dense cytoplasmic vesicles increased in response to cadmium stress. Food deprivation led to an increase in hemocyanin production. These observations are also discussed in the framework of using such animals as potential environmental biomarkers.

Modeling and simulation of fibrinogen and its adsorption behavior

In this thesis different approaches for the modeling and simulation of the blood protein fibrinogen are presented. The approaches are meant to systematically connect the multiple time and length scales involved in the dynamics of fibrinogen in solution and at inorganic surfaces. The first part of the thesis will cover simulations of fibrinogen on an all atom level. Simulations of the fibrinogen protomer and dimer are performed in explicit solvent to characterize the dynamics of fibrinogen in solution. These simulations reveal an unexpectedly large and fast bending motion that is facilitated by molecular hinges located in the coiled-coil region of fibrinogen. This behavior is characterized by a bending and a dihedral angle and the distribution of these angles is measured. As a consequence of the atomistic detail of the simulations it is possible to illuminate small scale behavior in the binding pockets of fibrinogen that hints at a previously unknown allosteric effect. In a second step atomistic simulations of the fibrinogen protomer are performed at graphite and mica surfaces to investigate initial adsorption stages. These simulations highlight the different adsorption mechanisms at the hydrophobic graphite surface and the charged, hydrophilic mica surface. It is found that the initial adsorption happens in a preferred orientation on mica. Many effects of practical interest involve aggregates of many fibrinogen molecules. To investigate such systems, time and length scales need to be simulated that are not attainable in atomistic simulations. It is therefore necessary to develop lower resolution models of fibrinogen. This is done in the second part of the thesis. First a systematically coarse grained model is derived and parametrized based on the atomistic simulations of the first part. In this model the fibrinogen molecule is represented by 45 beads instead of nearly 31,000 atoms. The intra-molecular interactions of the beads are modeled as a heterogeneous elastic network while inter-molecular interactions are assumed to be a combination of electrostatic and van der Waals interaction. A method is presented that determines the charges assigned to beads by matching the electrostatic potential in the atomistic simulation. Lastly a phenomenological model is developed that represents fibrinogen by five beads connected by rigid rods with two hinges. This model only captures the large scale dynamics in the atomistic simulations but can shed light on experimental observations of fibrinogen conformations at inorganic surfaces.