8 resultados para glucose photocatalysis selective oxidation titania gold silver nanoparticles
em ArchiMeD - Elektronische Publikationen der Universität Mainz - Alemanha
Resumo:
Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlngen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten fr zuknftige Mikrosensoren wegen der starken Abhngigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu knnen,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln fr Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrngt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen knnen. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangs_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfllt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivitt von Gold- und Silbernanostrnbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhngigkeit mit der nderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivitt ist das Mass dafr, wie gut die Nanopartikeln Materialnderungenrnin ihrer Umgebung detektieren knnen, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivitt beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostbchen eine hhere Sensitivitt alsrnGoldnanostbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darberhinaus, dass die Sensitivitt mit der Dicke der Stbchen wchst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivittrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivitt bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annherung prsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis untersttzen, dass fr Sensitivittsmessschemata, die auch die Linienbreite mitbercksichtigen, Goldnanostbchen mit einem Aspektverhltnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlssliche Sensoren mssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlnge hngt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu hnlich geformten Goldnanostbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhngigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten fr e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphren auf Halbleiternanost bchen in einer Goldionenlsung durch die Messung der gestreuten Intensitt verfolge.rn
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Plasmons in metal nanoparticles respond to changes in their local environment by a spectral shift in resonance. Here, the potential of plasmonic metal nanoparticles for label-free detection and observation of biological systems is presented. Comparing the material silver and gold concerning plasmonic sensitivity, silver nanoparticles exhibit a higher sensitivity but their chemical instability under light exposure limits general usage. A new approach combining results from optical dark-field microscopy and transmission electron microscopy allows localization and quantification of gold nanoparticles internalized into living cells. Nanorods exposing a negatively charged biocompatible polymer seem to be promising candidates to sense membrane fluctuations of adherent cells. Many small nanoparticles being specific sensing elements can build up a sensor for parallel analyte detection without need of labeling, which is easy to fabricate, re-usable, and has sensitivity down to nanomolar concentrations. Besides analyte detection, binding kinetics of various partner proteins interacting with one protein of interest are accessible in parallel. Gold nanoparticles are able to sense local oscillations in the surface density of proteins on a lipid bilayer, which could not be resolved so far. Studies on the fluorescently labeled system and the unlabeled system identify an influence of the label on the kinetics.
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Plasmon is a synonym for collective oscillations of the conduction electrons in a metal nanoparticle (excited by an incoming light wave), which cause strong optical responses like efficient light scattering. The scattering cross-section with respect to the light wavelength depends not only on material, size and shape of the nanoparticle, but also on the refractive index of the embedding medium. For this reason, plasmonic nanoparticles are interesting candidates for sensing applications. Here, two novel setups for rapid spectral investigations of single nanoparticles and different sensing experiments are presented.rnrnPrecisely, the novel setups are based on an optical microscope operated in darkfield modus. For the fast single particle spectroscopy (fastSPS) setup, the entrance pinhole of a coupled spectrometer is replaced by a liquid crystal device (LCD) acting as spatially addressable electronic shutter. This improvement allows the automatic and continuous investigation of several particles in parallel for the first time. The second novel setup (RotPOL) usesrna rotating wedge-shaped polarizer and encodes the full polarization information of each particle within one image, which reveals the symmetry of the particles and their plasmon modes. Both setups are used to observe nanoparticle growth in situ on a single-particle level to extract quantitative data on nanoparticle growth.rnrnUsing the fastSPS setup, I investigate the membrane coating of gold nanorods in aqueous solution and show unequivocally the subsequent detection of protein binding to the membrane. This binding process leads to a spectral shift of the particles resonance due to the higher refractive index of the protein compared to water. Hence, the nanosized addressable sensor platform allows for local analysis of protein interactions with biological membranes as a function of the lateral composition of phase separated membranes.rnrnThe sensitivity on changes in the environmental refractive index depends on the particles aspect ratio. On the basis of simulations and experiments, I could present the existence of an optimal aspect ratio range between 3 and 4 for gold nanorods for sensing applications. A further sensitivity increase can only be reached by chemical modifications of the gold nanorods. This can be achieved by synthesizing an additional porous gold cage around the nanorods, resulting in a plasmon sensitivity raise of up to 50 % for those nanorattles compared to gold nanorods with the same resonance wavelength. Another possibility isrnto coat the gold nanorods with a thin silver shell. This reduces the single particles resonance spectral linewidth about 30 %, which enlarges the resolution of the observable shift. rnrnThis silver coating evokes the interesting effect of reducing the ensemble plasmon linewidth by changing the relation connecting particle shape and plasmon resonance wavelength. This change, I term plasmonic focusing, leads to less variation of resonance wavelengths for the same particle size distribution, which I show experimentally and theoretically.rnrnIn a system of two coupled nanoparticles, the plasmon modes of the transversal and longitudinal axis depend on the refractive index of the environmental solution, but only the latter one is influenced by the interparticle distance. I show that monitoring both modes provides a self-calibrating system, where interparticle distance variations and changes of the environmental refractive index can be determined with high precision.
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In dieser Arbeit wurde die Elektronenemission von Nanopartikeln auf Oberflchen mittels spektroskopischen Photoelektronenmikroskopie untersucht. Speziell wurden metallische Nanocluster untersucht, als selbstorganisierte Ensembles auf Silizium oder Glassubstraten, sowie ferner ein Metall-Chalcogenid (MoS2) Nanorhren-Prototyp auf Silizium. Der Hauptteil der Untersuchungen war auf die Wechselwirkung von fs-Laserstrahlung mit den Nanopartikeln konzentriert. Die Energie der Lichtquanten war kleiner als die Austrittsarbeit der untersuchten Proben, so dass Ein-Photonen-Photoemission ausgeschlossen werden konnte. Unsere Untersuchungen zeigten, dass ausgehend von einem kontinuierlichen Metallfilm bis hin zu Clusterfilmen ein anderer Emissionsmechanismus konkurrierend zur Multiphotonen-Photoemission auftritt und fr kleine Cluster zu dominieren beginnt. Die Natur dieses neuen Mechanismus` wurde durch verschiedenartige Experimente untersucht. Der bergang von einem kontinuierlichen zu einem Nanopartikelfilm ist begleitet von einer Zunahme des Emissionsstroms von mehr als eine Grenordnung. Die Photoemissions-Intensitt wchst mit abnehmender zeitlicher Breite des Laserpulses, aber diese Abhngigkeit wird weniger steil mit sinkender Partikelgre. Die experimentellen Resultate wurden durch verschiedene Elektronenemissions-Mechanismen erklrt, z.B. Multiphotonen-Photoemission (nPPE), thermionische Emission und thermisch untersttzte nPPE sowie optische Feldemission. Der erste Mechanismus berwiegt fr kontinuierliche Filme und Partikel mit Gren oberhalb von mehreren zehn Nanometern, der zweite und dritte fr Filme von Nanopartikeln von einer Gre von wenigen Nanometern. Die mikrospektroskopischen Messungen besttigten den 2PPE-Emissionsmechanismus von dnnen Silberfilmen bei blauer Laseranregung (h=375-425nm). Das Einsetzen des Ferminiveaus ist relativ scharf und verschiebt sich um 2h, wenn die Quantenenergie erhht wird, wogegen es bei roter Laseranregung (h=750-850nm) deutlich verbreitert ist. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Laserleistung die Ausbeute von niederenergetischen Elektronen schwcher zunimmt als die Ausbeute von hherenergetischen Elektronen nahe der Fermikante in einem Spektrum. Das ist ein klarer Hinweis auf eine Koexistenz verschiedener Emissionsmechanismen in einem Spektrum. Um die Grenabhngigkeit des Emissionsverhaltens theoretisch zu verstehen, wurde ein statistischer Zugang zur Lichtabsorption kleiner Metallpartikel abgeleitet und diskutiert. Die Elektronenemissionseigenschaften bei Laseranregung wurden in zustzlichen Untersuchungen mit einer anderen Anregungsart verglichen, der Passage eines Tunnelstroms durch einen Metall-Clusterfilm nahe der Perkolationsschwelle. Die elektrischen und Emissionseigenschaften von stromtragenden Silberclusterfilmen, welche in einer schmalen Lcke (5-25 m Breite) zwischen Silberkontakten auf einem Isolator hergestellt wurden, wurden zum ersten Mal mit einem Emissions-Elektronenmikroskop (EEM) untersucht. Die Elektronenemission beginnt im nicht-Ohmschen Bereich der Leitungsstrom-Spannungskurve des Clusterfilms. Wir untersuchten das Verhalten eines einzigen Emissionszentrums im EEM. Es zeigte sich, dass die Emissionszentren in einem stromleitenden Silberclusterfilm Punktquellen fr Elektronen sind, welche hohe Emissions-Stromdichten (mehr als 100 A/cm2) tragen knnen. Die Breite der Energieverteilung der Elektronen von einem einzelnen Emissionszentrum wurde auf etwa 0.5-0.6 eV abgeschtzt. Als Emissionsmechanismus wird die thermionische Emission von dem steady-state heien Elektronengas in stromdurchflossenen metallischen Partikeln vorgeschlagen. Grenselektierte, einzelne auf Si-Substraten deponierte MoS2-Nanorhren wurden mit einer Flugzeit-basierten Zweiphotonen-Photoemissions-Spektromikroskopie untersucht. Die Nanorhren-Spektren wiesen bei fs-Laser Anregung eine erstaunlich hohe Emissionsintensitt auf, deutlich hher als die SiOx Substratoberflche. Dagegen waren die Rhren unsichtbar bei VUV-Anregung bei h=21.2 eV. Eine ab-initio-Rechnung fr einen MoS2-Slab erklrt die hohe Intensitt durch eine hohe Dichte freier intermedirer Zustnde beim Zweiphotonen-bergang bei h=3.1 eV.
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Die vorliegenden Dissertation beschftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen krftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Vernderung interner (Material, Gre, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lsst sich die Farbe der Partikel verndern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivitt gegenber ueren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden knnen. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivitt zeigen, sondern auch die Mglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflchen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewhrleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dnnen Silberschicht auf Goldnanostbchen verbessert sich deren Qualitt im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der Plasmonic Focusing Effect, die nderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhltnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhngigen Streuintensitt konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte core-satellite Strukturen synthetisiert, die um einen groen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte hhere Sensitivitt gegenber Brechungsindexnderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.
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The physicochemical properties of nanoparticles make them suitable for biomedical applications. Due to their straight-forward synthesis, their known biocompatibility, their strong optical properties, their ability for targeted drug delivery and their uptake potential into cells gold nanoparticles are highly interesting for biomedical applications. In particular, the therapy of brain diseases (neurodegenerative diseases, ischemic stroke) is a challenge for contemporary medicine and gold nanoparticles are currently being studied in the hope of improving drug delivery to the brain.rnIn this thesis three major conclusions from the generated data are emphasized.rn1. After improvement of the isolation protocol and culture conditions, the formation of a monolayer of porcine brain endothelial cells on transwell filters lead to a reproducible and tight in vitro monoculture which exhibited in vivo blood brain barrier (BBB) characteristics. The transport of nanoparticles across the barrier was studied using this model.rn2. Although gold nanoparticles are known to be relatively bioinert, contaminants of the nanoparticle synthesis (i.e. CTAB or sodium citrate) increased the cytotoxicity of gold nanoparticles, as shown by various publications. The results presented in this thesis demonstrate that contaminants of the nanoparticle synthesis such as sodium citrate increased the cytotoxicity of the gold nanoparticles in endothelial cells but in a more dramatic manner in epithelial cells. Considering the increased uptake of these particles by epithelial cells compared to endothelial cells it was demonstrated that the observed decrease of cell viability appeared to be related to the amount of internalized gold nanoparticles in combination with the presence of the contaminant.rn3. Systematically synthesized gold nanoparticles of different sizes with a variety of surface modifications (different chemical groups and net charges) were investigated for their uptake behaviour and functional impairment of endothelial cells, one of the major cell types making up the BBB. The targeting of these different nanoparticles to endothelial cells from different parts of the body was investigated in a comparative study of human microvascular dermal and cerebral endothelial cells. In these experiments it was demonstrated that different properties of the nanoparticles resulted in a variety of uptake patterns into cells. Positively charged gold nanoparticles were internalized in high amounts, while PEGylated nanoparticles were not taken up by both cell types. Differences in the uptake behavior were also demonstrated for neutrally charged particles of different sizes, coated with hydroxypropylamine or glucosamine. Endothelial cells of the brain specifically internalized 35nm neutrally charged hydroxypropylamine-coated gold nanoparticles in larger amounts compared to dermal microvascular endothelial cells, indicating a "targeting" for brain endothelial cells. Co-localization studies with flotillin-1 and flotillin-2 showed that the gold nanoparticles were internalized by endocytotic pathways. Furthermore, these nanoparticles exhibited transcytosis across the endothelial cell barrier in an in vitro BBB model generated with primary porcine brain endothelial cells (1.). In conclusion, gold nanoparticles with different sizes and surface characteristics showed different uptake patterns in dermal and cerebral endothelial cells. In addition, gold nanoparticles with a specific size and defined surface modification were able to cross the blood-brain barrier in a porcine in vitro model and may thus be useful for controlled delivery of drugs to the brain.
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This thesis focuses on the interactions of nanoparticles with artificial membranes. The synthesis of the block copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-methyloxazoline) (PDMS-b-PMOXA) is described, as well as the formation of polymersomes in water. These polymersomes act as minimal cell models, consisting of an artificial bilayer membrane only, allowing the study of the interactions between nanoparticles and polymeric membranes. Both spherical and rod-shaped gold nanoparticles (AuNPs) were used in this study and they were characterized using light scattering (PCS), transmission electron microscopy (TEM), UV/Vis spectroscopy, and polarization anisotropy measurements. The polymer grafting on the spherical cores is asymmetric (shell asphericity) but is parallel to the inherent, due to polycrystallinity, core anisotropy, resulting in a characteristic scattering of the AuNPs in PCS.rnInteractions of polymersomes and AuNPs were investigated by PCS, cryo-TEM and UV/Vis. Three possible scenarios upon mixing of polymersomes and AuNPs can be distinguished by using only PCS: (i) no interactions between particles and vesicles, (ii) attachment of the particles to the outer side of the vesicles (decoration), and (iii) uptake of particles into the vesicles. It is shown that all three scenarios are possible, solely depending on the particles surface functionalization. In addition, it was revealed that the AuNPs need to be attached to the inner side of the membrane instead of diffusing freely within the vesicle. The present experimental findings essentially help with the understanding of the interactions of nanoparticles with membranes and show that the process of endocytosis can be attributed to physical processes only. rn
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Plasmonische Metallnanopartikel bndeln, verstrken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von kohernten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflchenplasmonenresonanz (LSPR) oder Partikelplasmonen genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomoleklen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKrzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Gren gefhrt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostbchen die bevorzugte Form zur Biomolekl-Sensorik durch LSPR. Nanostbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberflche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmoleklebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher rtlicher und zeitlicher Auflsung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostbchen darzustellen.rnrnGoldnanostbchen mssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgefhrt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ndert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder hher geordneten Strukturen wie Core-Satellites knnen dazu dienen ihre Sensitivitt zu erhhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivitt auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lcke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phnomen, das abhngig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphren zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn