Electrochemical characterization of self-assembled Ferrocene-terminated alkanethiol monolayers on low-index gold single crystal electrodes

We present a voltammetric and in situ STM study of 11-ferrocenyl-1-undecanethiol (FcC11) assembled on low-index single crystal and polycrystalline gold electrodes. The influence of electrode surface structure as well as of structure defects in the self-assembled FcC11 monolayers on the electrochemical response during the oxidation and reduction of the terminal ferrocene group is explored. The nature of the redox peaks is discussed in detail. We identified the coexistence of disordered FcC11 regions with 2D patches of “locally ordered” FcC11 species. We demonstrate that close-packed domains are preferentially formed at atomically flat terraces. Increasing the defect density of the substrate surface leads to a decreasing amount of locally ordered FcC11 molecules.

Adsorption interaction of carrier-free thallium species with gold and quartz surfaces

The adsorption interactions of thallium and its compounds with gold and quartz surfaces were investigated. Carrier-free amounts of thallium were produced in nuclear fusion reactions of alpha particles with thick gold targets. The method chosen for the studies was gas thermochromatography and varying the redox potential of the carrier gases. It was observed that thallium is extremely sensitive to trace amounts of oxygen and water, and can even be oxidized by the hydroxyl groups located on the quartz surface. The experiments on a quartz surface with O2, He, H2 gas in addition with water revealed the formation and deposition of only one thallium species – TlOH. The adsorption enthalpy was determined to be Δ HSiO2ads(TlOH) = −134 ± 5 kJ mol−1. A series of experiments using gold as stationary surface and different carrier gases resulted in the detection of two thallium species – metallic Tl (H2 as carrier gas) and TlOH (O2, O2+H2O and H2+H2O as pure carrier gas or carrier gas mixture) with Δ HAuads(Tl) = −270 ± 10 kJ mol− and Δ HAuads(TlOH) = −146 ± 3 kJ mol−1. These data demonstrate a weak interaction of TlOH with both quartz and gold surfaces. The data represent important information for the design of future experiments with the heavier homologue of Tl in group 13 of the periodic table – element 113 (E113).

A comparison between the chemical behaviour of lead-gold and lead-bismuth eutectics towards 316L stainless steel

Lead-gold eutectic (LGE) has been recently proposed as an alternative target material for high power spallation sources. In order to compare the corrosive properties of LGE to the better-studied eutectic of lead-bismuth (LBE), an isothermal twin-loop made of SS 316L was built and operated at the Institute of Physics of the University of Latvia. We have measured the concentration of steel alloying elements dissolved in both alloys at the end of two test campaigns via ICP-OES. In case of LGE, a pronounced concentration increase of Fe, Ni, Mn and Cr is found in the liquid metal, which is significantly higher compared to LBE. Similar results were obtained during complementary investigations on material samples exposed to both alloys in this twin-loop at 400 ◦C and 450 ◦C. These findings indicate that in contact with LGE, SS 316L steel suffers from substantial chemical attack. Detailed investigations using structure materials other than SS 316L have to be undertaken before qualifying LGE as a serious alternative to LBE.

Cellular uptake and localization of inhaled gold nanoparticles in lungs of mice with chronic obstructive pulmonary disease

BACKGROUND: Inhalative nanocarriers for local or systemic therapy are promising. Gold nanoparticles (AuNP) have been widely considered as candidate material. Knowledge about their interaction with the lungs is required, foremost their uptake by surface macrophages and epithelial cells.Diseased lungs are of specific interest, since these are the main recipients of inhalation therapy. We, therefore, used Scnn1b-transgenic (Tg) mice as a model of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and compared uptake and localization of inhaled AuNP in surface macrophages and lung tissue to wild-type (Wt) mice. METHODS: Scnn1b-Tg and Wt mice inhaled a 21-nm AuNP aerosol for 2 h. Immediately (0 h) or 24 h thereafter, bronchoalveolar lavage (BAL) macrophages and whole lungs were prepared for stereological analysis of AuNP by electron microscopy. RESULTS: AuNP were mainly found as singlets or small agglomerates of <= 100 nm diameter, at the epithelial surface and within lung-surface structures. Macrophages contained also large AuNP agglomerates (> 100 nm). At 0 h after aerosol inhalation, 69.2+/-4.9% AuNP were luminal, i.e. attached to the epithelial surface and 24.0+/-5.9% in macrophages in Scnn1b-Tg mice. In Wt mice, 35.3+/-32.2% AuNP were on the epithelium and 58.3+/-41.4% in macrophages. The percentage of luminal AuNP decreased from 0 h to 24 h in both groups. At 24 h, 15.5+/-4.8% AuNP were luminal, 21.4+/-14.2% within epithelial cells and 63.0+/-18.9% in macrophages in Scnn1b-Tg mice. In Wt mice, 9.5+/-5.0% AuNP were luminal, 2.2+/-1.6% within epithelial cells and 82.8+/-0.2% in macrophages. BAL-macrophage analysis revealed enhanced AuNP uptake in Wt animals at 0 h and in Scnn1b-Tg mice at 24 h, confirming less efficient macrophage uptake and delayed clearance of AuNP in Scnn1b-Tg mice. CONCLUSIONS: Inhaled AuNP rapidly bound to the alveolar epithelium in both Wt and Scnn1b-Tg mice. Scnn1b-Tg mice showed less efficient AuNP uptake by surface macrophages and concomitant higher particle internalization by alveolar type I epithelial cells compared to Wt mice. This likely promotes AuNP depth translocation in Scnn1b-Tg mice, including enhanced epithelial targeting. These results suggest AuNP nanocarrier delivery as successful strategy for therapeutic targeting of alveolar epithelial cells and macrophages in COPD.

Gold nanoparticle aerosols for rodent inhalation and translocation studies

The intensive use of nano-sized particles in many different applications necessitates studies on their risk assessment as there are still open questions on their safe handling and utilization. For reliable risk assessment, the interaction of nanoparticles (NP) with biological systems after various routes of exposure needs to be investigated using well-characterized NP. We report here on the generation of gold-NP (Au-NP) aerosols for inhalation studies with the spark ignition technique, and their characterization in terms of chemical composition, physical structure, morphology, and specific surface area, and on interaction with lung tissues and lung cells after 1 h inhalation by mice. The originally generated agglomerated Au-NP were converted into compact spherical Au-NP by thermal annealing at 600 °C, providing particles of similar mass, but different size and specific surface area. Since there are currently no translocation data available on inhaled Au-NP in the 10–50 nm diameter range, the emphasis was to generate NP as small as 20 nm for inhalation in rodents. For anticipated in vivo systemic translocation and dosimetry analyses, radiolabeled Au-NP were created by proton irradiating the gold electrodes of the spark generator, thus forming gamma ray emitting 195Au with 186 days half-life, allowing long-term biokinetic studies. The dissolution rate of 195Au from the NP was below detection limits. The highly concentrated, polydisperse Au-NP aerosol (1–2 × 107 NP/cm3) proved to be constant over several hours in terms of its count median mobility diameter, its geometric standard deviation and number concentration. After collection on filters particles can be re-suspended and used for instillation or ingestion studies.

Quantification of gold nanoparticle cell uptake under controlled biological conditions and adequate resolution

Aim: We examined cellular uptake mechanisms of fluorescently labeled polymer-coated gold nanoparticles (NPs) under different biological conditions by two quantitative, microscopic approaches. Materials & methods: Uptake mechanisms were evaluated using endocytotic inhibitors that were tested for specificity and cytotoxicity. Cellular uptake of gold NPs was analyzed either by laser scanning microscopy or transmission electron microscopy, and quantified by means of stereology using cells from the same experiment. Results: Optimal inhibitor conditions were only achieved with chlorpromazine (clathrin-mediated endocytosis) and methyl-β-cyclodextrin (caveolin-mediated endocytosis). A significant methyl-β-cyclodextrin-mediated inhibition (63-69%) and chlorpromazine-mediated increase (43-98%) of intracellular NPs was demonstrated with both imaging techniques, suggesting a predominant uptake via caveolin-medicated endocytois. Transmission electron microscopy imaging revealed more than 95% of NPs localized in intracellular vesicles and approximately 150-times more NP events/cell were detected than by laser scanning microscopy. Conclusion: We emphasize the importance of studying NP-cell interactions under controlled experimental conditions and at adequate microscopic resolution in combination with stereology. Original submitted 10 July 2012; Revised submitted 23 January 2013.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Anti-PSMA antibody-coupled gold nanorods detection by optical and electron microscopies

While cancer is one of the greatest challenges to public health care, prostate cancer was chosen as cancer model to develop a more accurate imaging assessment than those currently available. Indeed, an efficient imaging technique which considerably improves the sensitivity and specificity of the diagnostic and predicting the cancer behavior would be extremely valuable. The concept of optoacoustic imaging using home-made functionalized gold nanoparticles coupled to an antibody targeting PSMA (prostate specific membrane antigen) was evaluated on different cancer cell lines to demonstrate the specificity of the designed platform. Two commonly used microscopy techniques (indirect fluorescence and scanning electron microscopy) showed their straightforwardness and versatility for the nanoparticle binding investigations regardless the composition of the investigated nanoobjects. Moreover most of the research laboratories and centers are equipped with fluorescence microscopes, so indirect fluorescence using Quantum dots can be used for any active targeting nanocarriers (polymers, ceramics, metals, etc.). The second technique based on backscattered electron is not only limited to gold nanoparticles but also suits for any study of metallic nanoparticles as the electronic density difference between the nanoparticles and binding surface stays high enough. Optoacoustic imaging was finally performed on a 3D cellular model to assess and prove the concept of the developed platform.

An in vitro toxicity evaluation of gold-, PLLA- and PCL-coated silica nanoparticles in neuronal cells for nanoparticle-assisted laser-tissue soldering.

The uptake of silica (Si) and gold (Au) nanoparticles (NPs) engineered for laser-tissue soldering in the brain was investigated using microglial cells and undifferentiated and differentiated SH-SY5Y cells. It is not known what effects NPs elicit once entering the brain. Cellular uptake, cytotoxicity, apoptosis, and the potential induction of oxidative stress by means of depletion of glutathione levels were determined after NP exposure at concentrations of 10(3) and 10(9)NPs/ml. Au-, silica poly (ε-caprolactone) (Si-PCL-) and silica poly-L-lactide (Si-PLLA)-NPs were taken up by all cells investigated. Aggregates and single NPs were found in membrane-surrounded vacuoles and the cytoplasm, but not in the nucleus. Both NP concentrations investigated did not result in cytotoxicity or apoptosis, but reduced glutathione (GSH) levels predominantly at 6 and 24h, but not after 12 h of NP exposure in the microglial cells. NP exposure-induced GSH depletion was concentration-dependent in both cell lines. Si-PCL-NPs induced the strongest effect of GSH depletion followed by Si-PLLA-NPs and Au-NPs. NP size seems to be an important characteristic for this effect. Overall, Au-NPs are most promising for laser-assisted vascular soldering in the brain. Further studies are necessary to further evaluate possible effects of these NPs in neuronal cells.