Strategies for detecting DNA hybridisation using surface plasmon fluorescence spectroscopy

Die Anregung und Emission von Fluorophoren nahe planaren Metalloberflächen und schiefen Gittern wurde mittels Oberflächenplasmonen Fluoreszenz Spektroskopie (SPFS) untersucht. Die Fluorophore konnten durch das evaneszente Plasmonenfeld angeregt und die einzelnen Abregungskanäle identifiziert werden.Die Sensorarchitektur für den Nachweis der Hybridisierung bestand aus auf einer Streptavidin-Matrix immobilisierten unmarkierten Sondensträngen. Cy5 markierte Zielsequenzen wurden aus der Lösung hybridisiert und die Adsorptionskinetiken konnten oberflächensensitiv detektiert werden.Ein neues Detektionsschema für unmarkierte Zielstränge wurde mittels fluoreszenzmarkirten Sondensträngen realisiert. Die Hybridisierung führte zu der Bildung von steifen helikalen Bereichen in der Probe und separierte den Farbstoff von der Metalloberfläche. Reduzierte Fluorezenzlöschung zeigte daher das Hybridisierungsereignis an.Die Verwendung eines potentiellen Förster-Paares zur Detektion von DNA Hybridisierung wurde untersucht. Donor und Akzeptor wurden an Ziel- und Sondenstrang immobilisiert und das Hybridisierungsereignis konnte anhand der Auslöschung der Donor-Fluorezenz nachgewiesen werden.Schließlich wurde der Einsatz von einzelstrangbindenden Proteinen (SSB) zur Steigerung der Sensitivität bezüglich Basenfehlpaarungen betrachtet. Verdrängungsreaktionen zwischen Proteinen und markierten Zielsträngen wurden anhand von SPS und Fluorezenzkinetiken studiert.

Charakterisierung und Stabilität von Arthropoden-Hämocyanin

Hämocyanine sind große, multimere Sauerstofftransport- proteine, die frei gelöst in der Hämolymphe von Arthropoden und Mollusken vorkommen.Zur Charakterisierung verschiedener Arthropoden-hämocyanine wurden deren molare Massen bestimmt. Die mit einer Vielwinkel-Laser-Lichtstreuapparatur ermittelten Molekulargewichte zeigten eine grosse Schwankungsbreite. Dies konnte auf Ungenauigkeiten der zur Berechnung der Molekulargewichte verwendeten spezifischen Extinktions- koeffizienten und Brechungsindex-Inkremente zurückgeführt werden.Mit der Methode der Massenspektrometrie (MALDI-TOF) bestimmte Molekulargewichte einzelner Untereinheiten des Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit aus der Sequenz errechneten Werten.Für das 24-mere Spinnenhämocyanin von Eurypelma californicum wurde die Stabilität gegenüber GdnHCl und der Temperatur auf den verschiedenen strukturellen Ebenen des Proteins untersucht.Viele Stabilitätsuntersuchungen werden an kleinen Proteinen durchgeführt, deren Entfaltung kooperativerfolgt. Bei größeren Proteinen mit unterschiedlichen strukturellen Bereichen (Domänen) ist der Entfaltungs-prozess weitaus komplexer. Ziel war es, durch die Denaturierung des Spinnen-Hämocyanins Erkenntnisse über die Stabilität und Entfaltung der verschiedenen strukturellen Ebenen eines so großen Proteinkomplexes zu gewinnen.Ein wichtiges Charakteristikum für die Interpretation der Entfaltungsexperimente ist die starke Löschung der Tryptophanfluoreszenz im oxygenierten Spinnen-Hämocyanin. Die Löschung kann vollständig durch Förster-Transfer erklärt werden kann. Sie bleibt auf die einzelnen Untereinheiten beschränkt und stellt somit ein reines O₂-Beladungssignal dar.Unter Einwirkung von GdnHCl dissoziiert das native, 24-mere Spinnen-Hämocyanin ohne die Entstehung langlebiger Inter- mediate. Die Untereinheiten werden durch das Oligomer stabilisiert. Die Entfaltung eines Monomers, der Unter- einheit e, folgt einer Hierarchie der verschiedenen strukturellen Ebenen des Moleküls. Die Entfaltung beginnt zunächst von außen mit der Auflockerung der Tertiärstruktur. Der Kern von Domäne II mit dem aktiven Zentrum weist hingegen eine besondere Stabilität auf.Die ausgeprägte Hitzestabilität des Eurypelma-Hämocyanins hängt vom Oligomerisierungsgrad, dem verwendeten Puffer und dessen Ausgangs-pH-Wert ab und spiegelt offensichtlich die extremen Lebensbedingungen im Habitat wider.

Zur Kooperativität des Vogelspinnen-Hämocyanins

Zusammenfassung Kooperativität bei Atmungsproteinen bedeutet eine Änderung der O2-Affinität während der Beladung mit O2 und läßt sich durch die Wechselbeziehung zwischen O2-Beladung und Konformation beschreiben. In dieser Arbeit wurde das 24-mere Hämocyanin der Vogelspinne Eurypelma californicum bzgl. Beladung und Konformationen sowohl auf der Ensemble- wie auch auf der Einzel-Molekül-Ebene charakterisiert. EnsembleDie Bindung von O2 an Hämocyanine ist mit einer drastischen Abnahme der Fluoreszenz-Quantenausbeute verbunden. Durch Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten Quantenausbeuten konnte gezeigt werden, daß die Löschung auf Förster-Transfer zurückzuführen ist, und daß kein Einfluß der Oligomerisierung, Protein-Konformation, Beweglichkeit oder Tierart besteht. Die Konformation von Hämocyaninen konnte mit Crosslinkern im oxy- und deoxy-Zustand fixiert werden. Die Charakterisierung der Produkte führte zu einer neuen Vorstellung, wie unterschiedliche Affinitäten realisiert sein können. Hierbei kommt der Dynamik der Protein-Matrix eine entscheidende Rolle zu. Einzel-MoleküleMittels Zwei-Photonen-Anregung konnten erstmalig einzelne Proteine über ihre intrinsische Tryptophan-Fluoreszenz nachgewiesen werden. Zum einen gelang es, Modellsysteme mit nur 340 Trp abzubilden, andererseits konnte die Diffusion einzelner Hämocyanine (148 Trp) mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie nachgewiesen werden.Einzelne Hämocyanine konnten durch Adsorption und mildes Eintrocknen an verschiedenen Oberflächen immobilisiert werden. Mittels Atomarer Kraft-Mikroskopie (AFM) ließen sich individuelle Hämocyanine abgebilden, wobei Details der Quarärstruktur aufgelöst werden konnten.

Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

Gamma-Spektroskopie an neutronenreichen Silber-Isotopen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Beta-Zerfall von neutronenreichen Silberisotopen der Massen 124, 126 und 128 gamma-spektroskopisch untersucht. Dabei konnten viele neue Linien gefunden und teilweise in Niveauschemata der entsprechenden even-even Cd-Isotope einsortiert werden. Mit den gemessenen Energien der ersten 2+ und 4+ - Anregungszustände konnte gezeigt werden, dass bei den neutronenreichen Cadmiumisotopen eine Abschwächung der Neutronenschale, das sogenannte shell-quenching, auftritt.

Regulation der Zeaxanthin- und der Diatoxanthin-Epoxidase in Chlorophyll a/b- und Fucoxanthin-Chlorophyll a/c-haltigen Pflanzen

In der vorliegenden Arbeit wird der Vx-Zyklus und der Ddx-Zyklus unterschiedlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Regulation untersucht. Es konnte an Hand von in vivo Messungen gezeigt werden, dass bei zwei Kieselalgen unterschiedlicher Ordnung (Pennales bzw. Centrales) und einer Haptophyte mit Ddx-Zyklus die Dtx-Epoxidase delta-pH-reguliert ist. Im Gegensatz dazu steht die nicht-regulierte Zx-Epoxidase des Vx-Zyklus einer Raphidophyceae, einer Grünalge und einer aquatischen Höheren Pflanze. Es konnte gezeigt werden, dass der Grund für diese unterschiedliche Regulation der beiden Epoxidasen die verschiedenen Quench-Eigenschaften der Pigmente Dtx bzw. Zx ist. Durch parallele Messungen des NPQ und des De-Epoxidierungsgrads wurde deutlich, dass Zx zum Aufbau eines Quenching direkt den im Licht aufgebauten delta-pH benötigt, während Dtx alleine ausreichend ist, um ein Quenching zu verursachen. Bei diesen in vivo Messungen wurde außerdem deutlich, dass die Aktivitäten der untersuchten Epoxidasen große Unterschiede aufweisen. Diese sind abhängig von der entsprechenden Pigmentierung des jeweiligen Lichtsammelsystems, stehen also in Zusammenhang mit den Carotinoidbiosynthesen. Es konnte gezeigt werden, dass bei allen untersuchten Organismen, die eine Xanthophyll-dominierte Antenne mit Fx als Massenpigment enthielten, die Umsatzraten der Epoxidase sehr hoch waren, im Gegensatz zu Chl-dominierten Antennen. Nach diesen Erkenntnissen wurde die Dtx-Epoxidase weiter untersucht und so erstmalig durch Western-Blotting identifiziert. Es ergaben sich, allerdings erst nach zusätzlicher Proteinstabilisierung, zwei Signale, eins bei 60 kDa, das andere bei 57 kDa. Hierbei ist nach wie vor unklar, warum das Antiserum zwei Signale lieferte und ob es sich dabei um Isoformen, um anderweitige Modifizierungen, oder um eine Kreuzreaktion handelt. Auch der Mechanismus der delta-pH-Regulation der Dtx-Epoxidase konnte trotz in vivo und in vitro durchgeführter Studien nicht endgültig geklärt werden. Allerdings konnten verschiedene Mechanismen, wie z.B. eine direkte pH-Abhängigkeit des Enzyms, eine Regulation durch Reduktion und Oxidation oder durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung, auf Grund der Daten falsifiziert werden. Es konnte schließlich die Regulation mit Hilfe eines transmembranen Rezeptors als das einzige, mit allen Daten konsistente Regulationsmodell vorgeschlagen werden.

Assembly and characterization of supramolecular architectures for biosensor applications

The research has included the efforts in designing, assembling and structurally and functionally characterizing supramolecular biofunctional architectures for optical biosensing applications. In the first part of the study, a class of interfaces based on the biotin-NeutrAvidin binding matrix for the quantitative control of enzyme surface coverage and activity was developed. Genetically modified ß-lactamase was chosen as a model enzyme and attached to five different types of NeutrAvidin-functionalized chip surfaces through a biotinylated spacer. All matrices are suitable for achieving a controlled enzyme surface density. Data obtained by SPR are in excellent agreement with those derived from optical waveguide measurements. Among the various protein-binding strategies investigated in this study, it was found that stiffness and order between alkanethiol-based SAMs and PEGylated surfaces are very important. Matrix D based on a Nb2O5 coating showed a satisfactory regeneration possibility. The surface-immobilized enzymes were found to be stable and sufficiently active enough for a catalytic activity assay. Many factors, such as the steric crowding effect of surface-attached enzymes, the electrostatic interaction between the negatively charged substrate (Nitrocefin) and the polycationic PLL-g-PEG/PEG-Biotin polymer, mass transport effect, and enzyme orientation, are shown to influence the kinetic parameters of catalytic analysis. Furthermore, a home-built Surface Plasmon Resonance Spectrometer of SPR and a commercial miniature Fiber Optic Absorbance Spectrometer (FOAS), served as a combination set-up for affinity and catalytic biosensor, respectively. The parallel measurements offer the opportunity of on-line activity detection of surface attached enzymes. The immobilized enzyme does not have to be in contact with the catalytic biosensor. The SPR chip can easily be cleaned and used for recycling. Additionally, with regard to the application of FOAS, the integrated SPR technique allows for the quantitative control of the surface density of the enzyme, which is highly relevant for the enzymatic activity. Finally, the miniaturized portable FOAS devices can easily be combined as an add-on device with many other in situ interfacial detection techniques, such as optical waveguide lightmode spectroscopy (OWLS), the quartz crystal microbalance (QCM) measurements, or impedance spectroscopy (IS). Surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) allows for an absolute determination of intrinsic rate constants describing the true parameters that control interfacial hybridization. Thus it also allows for a study of the difference of the surface coupling influences between OMCVD gold particles and planar metal films presented in the second part. The multilayer growth process was found to proceed similarly to the way it occurs on planar metal substrates. In contrast to planar bulk metal surfaces, metal colloids exhibit a narrow UV-vis absorption band. This absorption band is observed if the incident photon frequency is resonant with the collective oscillation of the conduction electrons and is known as the localized surface plasmon resonance (LSPR). LSPR excitation results in extremely large molar extinction coefficients, which are due to a combination of both absorption and scattering. When considering metal-enhanced fluorescence we expect the absorption to cause quenching and the scattering to cause enhancement. Our further study will focus on the developing of a detection platform with larger gold particles, which will display a dominant scattering component and enhance the fluorescence signal. Furthermore, the results of sequence-specific detection of DNA hybridization based on OMCVD gold particles provide an excellent application potential for this kind of cheap, simple, and mild preparation protocol applied in this gold fabrication method. In the final chapter, SPFS was used for the in-depth characterizations of the conformational changes of commercial carboxymethyl dextran (CMD) substrate induced by pH and ionic strength variations were studied using surface plasmon resonance spectroscopy. The pH response of CMD is due to the changes in the electrostatics of the system between its protonated and deprotonated forms, while the ionic strength response is attributed from the charge screening effect of the cations that shield the charge of the carboxyl groups and prevent an efficient electrostatic repulsion. Additional studies were performed using SPFS with the aim of fluorophore labeling the carboxymethyl groups. CMD matrices showed typical pH and ionic strength responses, such as high pH and low ionic strength swelling. Furthermore, the effects of the surface charge and the crosslink density of the CMD matrix on the extent of stimuli responses were investigated. The swelling/collapse ratio decreased with decreasing surface concentration of the carboxyl groups and increasing crosslink density. The study of the CMD responses to external and internal variables will provide valuable background information for practical applications.

Electronic energy transfer processes in pi-conjugated polymers

Currently pi-conjugated polymers are considered as technologically interesting materials to be used as functional building elements for the development of the new generation of optoelectronic devices. More specifically during the last few years, poly-p-phenylene materials have attracted considerable attention for their blue photoluminescence properties. This Thesis deals with the optical properties of the most representative blue light poly-p-phenylene emitters such as poly(fluorene), oligo(fluorene), poly(indenofluorene) and ladder-type penta(phenylene) derivatives. In the present work, laser induced photoluminescence spectroscopy is used as a major tool for the study of the interdependence between the dynamics of the probed photoluminescence, the molecular structures of the prepared polymeric films and the presence of chemical defects. Complementary results obtained by two-dimensional wide-angle X-ray diffraction are reported. These findings show that the different optical properties observed are influenced by the intermolecular solid-state interactions that in turn are controlled by the pendant groups of the polymer backbone. A significant feedback is delivered regarding the positive impact of a new synthetic route for the preparation of a poly(indenofluorene) derivative on the spectral purity of the compound. The energy transfer mechanisms that operate in the studied systems are addressed by doping experiments. After the evaluation of the structure/property interdependence, a new optical excitation pathway is presented. An efficient photon low-energy up-conversion that sensitises the blue emission of poly(fluorene) is demonstrated. The observed phenomenon takes place in poly(fluorene) derivatives hosts doped with metallated octaethyl porphyrins, after quasi-CW photoexcitation of intensities in the order of kW/cm2. The up-conversion process is parameterised in terms of temperature, wavelength excitation and central metal cation in the porphyrin ring. Additionally the observation of the up-conversion is extended in a broad range of poly-p-phenylene blue light emitting hosts. The dependence of the detected up-conversion intensity on the excitation intensity and doping concentration is reported. Furthermore the dynamics of the up-conversion intensity are monitored as a function of the doping concentration. These experimental results strongly suggest the existence of triplet-triplet annihilation events into the porphyrin molecules that are subsequently followed by energy transfer to the host. After confirming the occurrence of the up-conversion in solutions, cyclic voltammetry is used in order to show that the up-conversion efficiency is partially determined from the energetic alignment between the HOMO levels of the host and the dopant.

Surface-functionalized latex particles as additives in the mineralization of zinc oxide

Polystyrene latex particles modified at the surface with different hydrophilic functional groups were prepared by miniemulsion polymerization and applied to control the crystallization of zinc oxide in aqueous medium. The effects of both latex structure and concentration on the crystal growth, morphology, crystalline structure, and properties of the resulting zinc oxide were analyzed. Depending on the latex additive used, micro- and submicrosized crystals with a broad variety of morphologies were obtained. Among the studied latexes, the carboxyl-derived particles were shown to be a convenient system for further quantitative investigations. In this case, as the additive concentration increases, the aspect ratio of the crystals decreases systematically. Latex particles are assumed to adsorb preferentially onto the fast growing {001} faces of ZnO, interacting with the growth centers and reducing the growth rate in [001]. When zinc oxide is precipitated in the presence of latex, the polymer particles become incorporated into the growing crystals and polymer–inorganic hybrid materials are obtained. These materials are composed of an inorganic and largely undisturbed crystalline matrix in which organic latex particles are embedded. Increasing amounts of latex become incorporated into the growing crystals at increasing overall concentration in the crystallizing system. Photoluminescence (PL) spectra were measured to obtain information on defect centers. Emission spectra of all samples showed a narrow UV peak and a broad band in the green-yellow spectral region. The former emission is attributed to exciton recombination, whereas the latter seems to be related with deep-level donors. Latex appears to be a quencher of the visible emission of zinc oxide. Thus, compared to pure zincite, ZnO–latex hybrid materials show a significantly lower PL intensity in the visible range of the spectrum. Under continuous photoexcitation, a noticeable dynamic behavior of the PL is observed, which can be related to a photodesorption of adsorbed oxygen. These surface-adsorbed oxygen species seem to play a crucial role for the optical properties of the materials and may mediate the tunneling of electrons from the conduction band to preexisting deep-level traps, probably related to intrinsic defects (oxygen vacancies or interstitial zinc). The polymer particles can block the sites where oxygen adsorbs, and the disappearance of the “electron-shuttle” species leads to the observed quenching of the visible emission. Electron paramagnetic resonance (EPR) provided additional information about crystal defects with unpaired electrons. Spectra of all samples exhibit a single signal at g ≈ 1.96, typical for shallow donors. Contrary to the results of other authors, no correlation was possible between the EPR signal and the visible range of PL spectra, which suggests that centers responsible for the visible emission and the EPR signal are different.

Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen 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 Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster 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 Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität 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 gegenüber 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 großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Specific enzymatic cleavage and payload release from peptide-based hybrid nanocapsules

Within this thesis, new approaches for the concepts of peptide-polymer conjugates and peptide-based hybrid nanomaterials are investigated. In the first part, the synthesis of a triblock polymer-peptide-polymer is carried out following a typical peptide coupling reaction, both in solution and on solid-phase. The peptide sequence is chosen, so that it is cleaved by an enzyme preparation of trypsin. End-functionalized polystyrene is used as a model hydrophobic polymer and coupled to the peptide sequence. The results show successful coupling reactions in both methods, while the solid phase method produced a more defined product. Suspensions, consisting of peptide-polymer conjugates particles, are prepared in water by ultrasonication. In contact with the enzyme, the peptide constituting the conjugated particles is cleaved. This demonstrates the enzymatic cleavage in heterophase of enzymatic sequence bond to hydrophobic polymers, and is of great interest for the encapsulation and delivery of hydrophobic molecules.rnA second approach is the preparation of peptide-based hybrid nanocapsules. This is achieved by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion with the peptide sequence functionalized with additional amino acids. A method suitable to the use of a peptide sequence for interfacial polyaddition was developed. It is shown that, the polarity of the dispersed phase influences the structures prepared, from particle-like to polymeric shell with a liquid core.rnThe peptide sequence is equipped with a FRET pair (more exactly, an internally-quenched fluorescent system) which allows the real-time monitoring of the enzymatic cleavage of the recognition site. This system shows the successful cleavage of the peptide-based nanocapsules when trypsin preparation is added to the suspensions. A water-soluble fluorescent polymer is efficiently entrapped and its possible use as marker for the capsules is highlighted. Furthermore, a small water-soluble fluorescent dye (SR-101) is successfully encapsulated and the encapsulation efficiency as a function of the functionality of the peptide and the amount of comonomer equivalent (toluene diisocyanate) is studied. The dye is encapsulated at such a high concentration, that self-quenching occurs. Thus, the release of the encapsulated dye triggered by the enzymatic cleavage of the peptide results in a fluorescence recovery of the dye. The fluorescence recovery of the FRET pair in the peptide and of the encapsulated dye correlate well.rnFinally, nanocapsules based on a hepsin-cleavable peptide sequence are prepared. Hepsin is an enzyme, which is highly upregulated in prostate cancer cells. The cleavage of the nanocapsules is investigated with healthy and “cancerous” (hepsin-expressing) cell cultures. The degradation, followed via fluorescence recovery of the FRET system, is faster for the suspensions introduced in the hepsin expressing cell cultures.rnIn summary, this work tackles the domain of responsive nanomaterials for drug delivery from a new perspective. It presents the adaptation of the miniemulsion process for hybrid peptide-based materials, and their successful use in preparing specific enzyme-responsive nanoparticles, with hydrophilic payload release properties.rn

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt ist.

Template-assisted patterning of functional polymers

In this thesis, anodic aluminum oxide (AAO) membranes, which provide well-aligned uniform mesoscopic pores with adjustable pore parameters, were fabricated and successfully utilized as templates for the fabrication of functional organic nanowires, nanorods and the respective well-ordered arrays. The template-assisted patterning technique was successfully applied for the realization of different objectives:rnHigh-density and well-ordered arrays of hole-conducting nanorods composed of cross-linked triphenylamine (TPA) and tetraphenylbenzidine (TPD) derivatives on conductive substrates like ITO/glass have been successfully fabricated. By applying a freeze-drying technique to remove the aqueous medium after the wet-chemical etching of the template, aggregation and collapsing of the rods was prevented and macroscopic areas of perfectly freestanding nanorods were feasible. Based on the hole-conducting nanorod arrays and their subsequent embedding into an electron-conducting polymer matrix via spin-coating, a novel routine concept for the fabrication of well-ordered all-organic bulk heterojunction for organic photovoltaic applications was successfully demonstrated. The increased donor/acceptor interface of the fabricated devices resulted in a remarkable increase of the photoluminescence quenching compared to a planar bilayer morphology. Further, the fundamental working principle of the templating approach for the solution-based all-organic photovoltaic device was demonstrated for the first time.rnFurthermore, in order to broaden the applicability of patterned surfaces, which are feasible via the template-based patterning of functional materials, AAO with hierarchically branched pores were fabricated and utilized as templates. By pursuing the common templating process hierarchically polymeric replicas, which show remarkable similarities with interesting biostructures, like the surface of the lotus leaf and the feet of a gecko, were successfully prepared.rnIn contrast to the direct infiltration of organic functional materials, a novel route for the fabrication of functional nanowires via post-modification of reactive nanowires was established. Therefore, reactive nanowires based on cross-linked pentafluorophenylesters were fabricated by utilizing AAO templates. The post-modification with fluorescent dyes was demonstrated. Furthermore, reactive wires were converted into well-dispersed poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) hydrogels, which exhibit a thermal-responsive reversible phase transition. The reversible thermal-responsible swelling of the PNIPAM nanowires exhibited a more than 50 % extended length than in the collapsed PNIPAM state. rnLast but not least, the shape-anisotropic pores of AAO were utilized to uniformly align the mesogens of a nematic liquid crystalline elastomer. Liquid crystalline nanowires with a narrow size distribution and uniform orientation of the liquid crystalline material were fabricated. It was shown that during the transition from the nematic to the isotropic phase the rod’s length shortened by roughly 40 percent. As such these liquid crystalline elastomeric nanowires may find application, as wire-shaped nanoactuators in various fields of research, like lab-on-chip systems, micro fluidics and biomimetics.rn