Synthese und Charakterisierung einer Hydrogelmatrix für die Multianalyt-Sensorik

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

Electrostatic supramolecular assembly of charged dendritic polymers and their biological application

The aim of this study was the development of functional multilayer films through electrostatic layer by layer (LbL) assembly of dendritic macromolecules, the investigation of the fundamental properties of these multilalyered films and the study of their biological applications. rnThe synthesis of the anionic hyperbranched polyglycerols (hbPG) and the preparation of multilayers made of hbPG/phosphorus dendrimer as well as the influences of deposition conditions on multilayers were reported. The thicknesses of multilayer films increase with a decrease of molecular weight of anionic hbPGs. The multilayer films fabricated by low molecular weight hbPGs grow less regularly due to the less charged carboxylic acid groups providing the relative weaker electrostatic forces for the deposition. The thicknesses of multilayer films are reduced with increasing pH values and decreasing the concentration of NaCl. The observed changes of multilayer thickness and surface morphology could be interpreted with the aid of theories regarding the charge density and conformation of the anionic hbPG chains in solution. rnBesides the study of fundamental properties of hbPG/phosphorus multilayer films, antifouling thin films derived from hbPG layers were developed. The antifouling properties of hbPG layers were found to correlate with factors of the molecular weight of anionic hbPG and the film thickness. It was demonstrated that anionic hbPG single layer with highest molecular weight can reduce non specific protein adsorption more efficiently than single layer with lower molecular weight and all the hbPG bilayers possessed excellent property of antifouling. rnPhosphorus dendrimer multilayers were successfully prepared as the platforms to detect DNA immobilization and hybridization. The effect of NaCl concentration on the multilayer film thickness was evaluated to obtain the optimized film thickness. Making use of the multilayer deposited at the optimized condition as a substrate, a high loading of DNA probes was achieved through covalent coupling of probe DNA with the as-formed multilayer films. The hybridization of target DNA with immobilized probe DNA was then carried out and studied by SPFS. The limit of detection upon hybridization was estimated on various dendrimer multilayer platforms. The minimum detection concentration for DNA hybridization is in the same order of magnitude compared with other neutral phosphorus dendrimer systems. Furthermore, the LbL deposition of phosphorus dendrimer multilayers provided a mild and simple way to prepare platforms as DNA microarrays. rnBased on the phosphorus dendrimer multilayer systems, dendritic star polymers were employed which have more reactive groups than that phosphorus dendrimers. The as-assembled dendritic star polymer multilayer films exhibited such distinct morphology characteristics that they underwent extensive structural reorganization upon post-treatment under different pH conditions. Kinetic binding of probe DNA molecules on the outermost negatively charged dendritic surface was studied by SPR as well. The binding capacities of probe DNA on the multilayer surfaces fabricated from the first-generation and the second-generation of dendritic star polymers were compared. The improved binding capacity was achieved from the second-generation of dendritic star polymer multilayer films due to their more reactive groups. DNA hybridization reaction on dendritic multilayer films was investigated by SPFS. The similar hybridization behaviors were found on both multilayer surfaces. Meanwhile, the hybridization kinetic affinities were compared with that of phosphorus dendrimer multilayer surfaces and showed improved detection sensitivity than phosphorus dendrimer multilayer films.rn

Design of cell adhesive and angiogenic titanium surfaces for cellular stimulation

Die Förderung der Zelladhäsion durch sogenannte biomimetische Oberflächen wird in der Medizin als vielversprechender Ansatz gesehen, um Komplikationen wie z. B. Fremdkörperreaktionen nach der Implantation entgegenzuwirken. Neben der Immobilisierung einzelner Biomoleküle wie z. B. dem RGD-Peptid, Proteinen und Wachstumsfaktoren auf verschiedenen Materialien, konzentriert man sich derzeit in der Forschung auf die Co-Immobilisierung zweier Moleküle gleichzeitig. Hierbei werden die funktionellen Gruppen z. B. von Kollagen unter Verwendung von nur einer Kopplungschemie verwendet, wodurch die Kopplungseffizienz der einzelnen Komponenten nur begrenzt kontrollierbar ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Immobilisierungsverfahrens, welches die unabhängige Kopplung zweier Faktoren kontrolliert ermöglicht. Dabei sollten exemplarisch das adhäsionsfördernde RGD-Peptid (Arginin-Glycin-Asparaginsäure) zusammen mit dem Wachstumsfaktor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) auf Titan gebunden werden. In weiteren Experimenten sollten dann die pro-adhäsiven Faktoren Fibronektin, Kollagen, Laminin und Osteopontin immobilisiert und untersucht werden. rnDie Aminofunktionalisierung von Titan durch plasma polymerisierte Allylaminschichten wurde als Grundlage für die Entwicklung des nasschemischen Co-immobilisierungsverfahren verwendet. Für eine unabhängige und getrennte Anbindung der verschiedenen Biomoleküle stand in diesem Zusammenhang die Entwicklung eines geeigneten Crosslinker Systems im Vordergrund. Die Oberflächencharakterisierung der entwickelten Oberflächen erfolgte mittels Infrarot Spektroskopie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie (SPR), Kontaktwinkelmessungen, Step Profiling und X-Ray Photoelectron Spektroskopie (XPS). Zur Analyse der Anbindungsprozesse in Echtzeit wurden SPR-Kinetik Messungen durchgeführt. Die biologische Funktionalität der modifizierten Oberflächen wurde in vitro an Endothelzellen (HUVECs) und Osteoblasten (HOBs) und in vivo in einem Tiermodell-System an der Tibia von Kaninchen untersucht.rnDie Ergebnisse zeigen, dass alle genannten Biomoleküle sowohl einzeln auf Titan kovalent gekoppelt als auch am Bespiel von RGD und VEGF in einem getrennten Zwei-Schritt-Verfahren co-immobilisiert werden können. Des Weiteren wurde die biologische Funktionalität der gebundenen Faktoren nachgewiesen. Im Falle der RGD modifizierten Oberflächen wurde nach 7 Tagen eine geförderte Zelladhäsion von HUVECs mit einer signifikant erhöhten Zellbesiedlungsdichte von 28,5 % (p<0,05) gezeigt, wohingegen auf reinem Titan Werte von nur 13 % beobachtet wurden. Sowohl VEGF als auch RGD/VEGF modifizierte Proben wiesen im Vergleich zu Titan schon nach 24 Stunden eine geförderte Zelladhäsion und eine signifikant erhöhte Zellbesiedlungsdichte auf. Bei einer Besiedlung von 7,4 % auf Titan, zeigten VEGF modifizierte Proben mit 32,3 % (p<0,001) eine deutlichere Wirkung auf HUVECs als RGD/VEGF modifizierte Proben mit 13,2 % (p<0,01). Die pro-adhäsiven Faktoren zeigten eine deutliche Stimulation der Zelladhäsion von HUVECs und HOBs im Vergleich zu reinem Titan. Die deutlich höchsten Besiedlungsdichten von HUVECs konnten auf Fibronektin mit 44,6 % (p<0,001) und Kollagen mit 39,9 % (p<0,001) nach 24 Stunden beobachtet werden. Laminin zeigte keine und Osteopontin nur eine sehr geringe Wirkung auf HUVECs. Bei Osteoblasten konnten signifikant erhöhte Besiedlungsdichten im Falle aller pro-adhäsiven Faktoren beobachtet werden, jedoch wurden die höchsten Werte nach 7 Tagen auf Kollagen mit 90,6 % (p<0,001) und Laminin mit 86,5 % (p<0,001) im Vergleich zu Titan mit 32,3 % beobachtet. Die Auswertung der Tierexperimente ergab, dass die VEGF modifizierten Osteosyntheseplatten, im Vergleich zu den reinen Titankontrollen, eine gesteigerte Knochenneubildung auslösten. Eine solche Wirkung konnte für RGD/VEGF modifizierte Implantate nicht beobachtet werden. rnInsgesamt konnte gezeigt werden, dass mittels plasmapolymerisierten Allylamin Schichten die genannten Biomoleküle sowohl einzeln gebunden als auch getrennt und kontrolliert co-immobilisiert werden können. Des Weiteren konnte eine biologische Funktionalität für alle Faktoren nach erfolgter Kopplung in vitro gezeigt werden. Wider Erwarten konnte jedoch kein zusätzlicher biologischer Effekt durch die Co-immobilisierung von RGD und VEGF im Vergleich zu den einzeln immobilisierten Faktoren gezeigt werden. Um zu einer klinischen Anwendung zu gelangen, ist es nun notwendig, das entwickelte Verfahren in Bezug auf die immobilisierten Mengen der verschiedenen Faktoren hin zu optimieren. rn

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Phosphocreatine interacts with phospholipids, affects membrane properties and exerts membrane-protective effects

A broad spectrum of beneficial effects has been ascribed to creatine (Cr), phosphocreatine (PCr) and their cyclic analogues cyclo-(cCr) and phospho-cyclocreatine (PcCr). Cr is widely used as nutritional supplement in sports and increasingly also as adjuvant treatment for pathologies such as myopathies and a plethora of neurodegenerative diseases. Additionally, Cr and its cyclic analogues have been proposed for anti-cancer treatment. The mechanisms involved in these pleiotropic effects are still controversial and far from being understood. The reversible conversion of Cr and ATP into PCr and ADP by creatine kinase, generating highly diffusible PCr energy reserves, is certainly an important element. However, some protective effects of Cr and analogues cannot be satisfactorily explained solely by effects on the cellular energy state. Here we used mainly liposome model systems to provide evidence for interaction of PCr and PcCr with different zwitterionic phospholipids by applying four independent, complementary biochemical and biophysical assays: (i) chemical binding assay, (ii) surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), (iii) solid-state (31)P-NMR, and (iv) differential scanning calorimetry (DSC). SPR revealed low affinity PCr/phospholipid interaction that additionally induced changes in liposome shape as indicated by NMR and SPR. Additionally, DSC revealed evidence for membrane packing effects by PCr, as seen by altered lipid phase transition. Finally, PCr efficiently protected against membrane permeabilization in two different model systems: liposome-permeabilization by the membrane-active peptide melittin, and erythrocyte hemolysis by the oxidative drug doxorubicin, hypoosmotic stress or the mild detergent saponin. These findings suggest a new molecular basis for non-energy related functions of PCr and its cyclic analogue. PCr/phospholipid interaction and alteration of membrane structure may not only protect cellular membranes against various insults, but could have more general implications for many physiological membrane-related functions that are relevant for health and disease.

Collagen XII interacts with avian tenascin-X through its NC3 domain

Large oligomeric proteins often contain several binding sites for different molecules and can therefore induce formation of larger protein complexes. Collagen XII, a multidomain protein with a small collagenous region, interacts with fibrillar collagens through its C-terminal region. However, no interactions to other extracellular proteins have been identified involving the non-collagenous N-terminal NC3 domain. To further elucidate the components of protein complexes present close to collagen fibrils, different extracellular matrix proteins were tested for interaction in a solid phase assay. Binding to the NC3 domain of collagen XII was found for the avian homologue of tenascin-X that in humans is linked to Ehlers-Danlos disease. The binding was further characterized by surface plasmon resonance spectroscopy and supported by immunohistochemical co-localization in chick and mouse tissue. On the ultrastructural level, detection of collagen XII and tenascin-X by immunogold labeling confirmed this finding.

AFM and SPR studies of protein adsorption at solid/liquid interface

Membrane-like structure formed by surfactant molecules of didodecyldimethylammonium bromide (DDAB) on both HOPG and gold electrodes were studied with AFM and SPR techniques. The study shows that the thickness of the adsorbed layer of DDAB is strongly dependent on the concentration of the vesicle solution. We have also investigated the adsorption of redox protein, Cytochrome c, on graphite electrode with in situ tapping mode AFM. The protein adsorbs spontaneously onto the electrode covered with an adsorbed phosphate layer and forms a uniform monolayer. The adsorbed protein exhibits a reversible electron transfer at 0.17 V (Ag/AgCI) once the electrode potential has been increased to 0.75V. Using surface plasmon resonance spectroscopy we have measured subtle conformational change in protein, Cyt c, due to electron transfer of a single electron on MPA-coated gold electrode. The electron transfer induced change in the resonant angle is about 0.006 deg., which corresponds to ~ 0.2 A decreases in the thickness. This is consistent with that reduced state is more compact than the oxidized state.

Complementary surface-enhanced resonance raman spectroscopic biodetection of mixed protein solutions by chitosan- and silica-coated plasmon-tuned silver nanoparticles

Silver nanoparticles with identical plasmonic properties but different surface functionalities are synthesized and tested as chemically selective surface-enhanced resonance Raman (SERR) amplifiers in a two-component protein solution. The surface plasmon resonances of the particles are tuned to 413 nm to match the molecular resonance of protein heme cofactors. Biocompatible functionalization of the nanoparticles with a thin film of chitosan yields selective SERR enhancement of the anionic protein cytochrome b5, whereas functionalization with SiO2 amplifies only the spectra of the cationic protein cytochrome c. As a result, subsequent addition of the two differently functionalized particles yields complementary information on the same mixed protein sample solution. Finally, the applicability of chitosan-coated Ag nanoparticles for protein separation was tested by in situ resonance Raman spectroscopy.

Electrochemical impedance detection of DNA hybridization based on dendrimer modified electrode

Bioactive ultrathin films with the incorporation of amino-terminated G4 PAMAM dendrimers have been prepared via layer-by-layer self-assembly methods on a gold electrode and used for the DNA hybridization analysis. Surface plasmon resonance (SPR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) are used to characterize the successful construction of the multicomponent film on the gold substrate. The dendrimer-modified surfaces improve the immobilization capacity of the probe DNA greatly, compared to the AET (2aminoethanethiol) SAM sensor surfaces without dendrimer molecules. DNA hybridization analysis is monitored by EIS. The dendrimer-based electrochemical impedance DNA biosensor shows high sensitivity and selectivity for DNA hybridization assay. The multicomponent films also display a high stability during repeated regeneration and hybridization cycles.

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Theoretical and numerical investigation of plasmon nanofocusing in metallic tapered rods and grooves

Effective focusing of electromagnetic (EM) energy to nanoscale regions is one of the major challenges in nano-photonics and plasmonics. The strong localization of the optical energy into regions much smaller than allowed by the diffraction limit, also called nanofocusing, offers promising applications in nano-sensor technology, nanofabrication, near-field optics or spectroscopy. One of the most promising solutions to the problem of efficient nanofocusing is related to surface plasmon propagation in metallic structures. Metallic tapered rods, commonly used as probes in near field microscopy and spectroscopy, are of a particular interest. They can provide very strong EM field enhancement at the tip due to surface plasmons (SP’s) propagating towards the tip of the tapered metal rod. A large number of studies have been devoted to the manufacturing process of tapered rods or tapered fibers coated by a metal film. On the other hand, structures such as metallic V-grooves or metal wedges can also provide strong electric field enhancements but manufacturing of these structures is still a challenge. It has been shown, however, that the attainable electric field enhancement at the apex in the V-groove is higher than at the tip of a metal tapered rod when the dissipation level in the metal is strong. Metallic V-grooves also have very promising characteristics as plasmonic waveguides. This thesis will present a thorough theoretical and numerical investigation of nanofocusing during plasmon propagation along a metal tapered rod and into a metallic V-groove. Optimal structural parameters including optimal taper angle, taper length and shape of the taper are determined in order to achieve maximum field enhancement factors at the tip of the nanofocusing structure. An analytical investigation of plasmon nanofocusing by metal tapered rods is carried out by means of the geometric optics approximation (GOA), which is also called adiabatic nanofocusing. However, GOA is applicable only for analysing tapered structures with small taper angles and without considering a terminating tip structure in order to neglect reflections. Rigorous numerical methods are employed for analysing non-adiabatic nanofocusing, by tapered rod and V-grooves with larger taper angles and with a rounded tip. These structures cannot be studied by analytical methods due to the presence of reflected waves from the taper section, the tip and also from (artificial) computational boundaries. A new method is introduced to combine the advantages of GOA and rigorous numerical methods in order to reduce significantly the use of computational resources and yet achieve accurate results for the analysis of large tapered structures, within reasonable calculation time. Detailed comparison between GOA and rigorous numerical methods will be carried out in order to find the critical taper angle of the tapered structures at which GOA is still applicable. It will be demonstrated that optimal taper angles, at which maximum field enhancements occur, coincide with the critical angles, at which GOA is still applicable. It will be shown that the applicability of GOA can be substantially expanded to include structures which could be analysed previously by numerical methods only. The influence of the rounded tip, the taper angle and the role of dissipation onto the plasmon field distribution along the tapered rod and near the tip will be analysed analytically and numerically in detail. It will be demonstrated that electric field enhancement factors of up to ~ 2500 within nanoscale regions are predicted. These are sufficient, for instance, to detect single molecules using surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) with the tip of a tapered rod, an approach also known as tip enhanced Raman spectroscopy or TERS. The results obtained in this project will be important for applications for which strong local field enhancement factors are crucial for the performance of devices such as near field microscopes or spectroscopy. The optimal design of nanofocusing structures, at which the delivery of electromagnetic energy to the nanometer region is most efficient, will lead to new applications in near field sensors, near field measuring technology, or generation of nanometer sized energy sources. This includes: applications in tip enhanced Raman spectroscopy (TERS); manipulation of nanoparticles and molecules; efficient coupling of optical energy into and out of plasmonic circuits; second harmonic generation in non-linear optics; or delivery of energy to quantum dots, for instance, for quantum computations.

Linear and nonlinear propagation of localised plasmon in metallic nanostructures

A major challenge in modern photonics and nano-optics is the diffraction limit of light which does not allow field localisation into regions with dimensions smaller than half the wavelength. Localisation of light into nanoscale regions (beyond its diffraction limit) has applications ranging from the design of optical sensors and measurement techniques with resolutions as high as a few nanometres, to the effective delivery of optical energy into targeted nanoscale regions such as quantum dots, nano-electronic and nano-optical devices. This field has become a major research direction over the last decade. The use of strongly localised surface plasmons in metallic nanostructures is one of the most promising approaches to overcome this problem. Therefore, the aim of this thesis is to investigate the linear and non-linear propagation of surface plasmons in metallic nanostructures. This thesis will focus on two main areas of plasmonic research –– plasmon nanofocusing and plasmon nanoguiding. Plasmon nanofocusing – The main aim of plasmon nanofocusing research is to focus plasmon energy into nanoscale regions using metallic nanostructures and at the same time achieve strong local field enhancement. Various structures for nanofocusing purposes have been proposed and analysed such as sharp metal wedges, tapered metal films on dielectric substrates, tapered metal rods, and dielectric V-grooves in metals. However, a number of important practical issues related to nanofocusing in these structures still remain unclear. Therefore, one of the main aims of this thesis is to address two of the most important of issues which are the coupling efficiency and heating effects of surface plasmons in metallic nanostructures. The method of analysis developed throughout this thesis is a general treatment that can be applied to a diversity of nanofocusing structures, with results shown here for the specific case of sharp metal wedges. Based on the geometrical optics approximation, it is demonstrated that the coupling efficiency from plasmons generated with a metal grating into the nanofocused symmetric or quasi-symmetric modes may vary between ~50% to ~100% depending on the structural parameters. Optimal conditions for nanofocusing with the view to minimise coupling and dissipative losses are also determined and discussed. It is shown that the temperature near the tip of a metal wedge heated by nanosecond plasmonic pulses can increase by several hundred degrees Celsius. This temperature increase is expected to lead to nonlinear effects, self-influence of the focused plasmon, and ultimately self-destruction of the metal tip. This thesis also investigates a different type of nanofocusing structure which consists of a tapered high-index dielectric layer resting on a metal surface. It is shown that the nanofocusing mechanism that occurs in this structure is somewhat different from other structures that have been considered thus far. For example, the surface plasmon experiences significant backreflection and mode transformation at a cut-off thickness. In addition, the reflected plasmon shows negative refraction properties that have not been observed in other nanofocusing structures considered to date. Plasmon nanoguiding – Guiding surface plasmons using metallic nanostructures is important for the development of highly integrated optical components and circuits which are expected to have a superior performance compared to their electronicbased counterparts. A number of different plasmonic waveguides have been considered over the last decade including the recently considered gap and trench plasmon waveguides. The gap and trench plasmon waveguides have proven to be difficult to fabricate. Therefore, this thesis will propose and analyse four different modified gap and trench plasmon waveguides that are expected to be easier to fabricate, and at the same time acquire improved propagation characteristics of the guided mode. In particular, it is demonstrated that the guided modes are significantly screened by the extended metal at the bottom of the structure. This is important for the design of highly integrated optics as it provides the opportunity to place two waveguides close together without significant cross-talk. This thesis also investigates the use of plasmonic nanowires to construct a Fabry-Pérot resonator/interferometer. It is shown that the resonance effect can be achieved with the appropriate resonator length and gap width. Typical quality factors of the Fabry- Pérot cavity are determined and explained in terms of radiative and dissipative losses. The possibility of using a nanowire resonator for the design of plasmonic filters with close to ~100% transmission is also demonstrated. It is expected that the results obtained in this thesis will play a vital role in the development of high resolution near field microscopy and spectroscopy, new measurement techniques and devices for single molecule detection, highly integrated optical devices, and nanobiotechnology devices for diagnostics of living cells.

Reusable surface confined semi-conducting metal-TCNQ and metal-TCNQF4 catalysts for electron transfer reactions

The synthesis of organic semiconducting materials based on silver and copper-TCNQ (TCNQ = 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane) and their fluorinated analogues has received a significant amount of attention due to their potential use in organic electronic applications. However, there is a scarcity in the identification of different applications for which these interesting materials may be suitable candidates. In this work, we address this by investigating the catalytic properties of such materials for the electron transfer reaction between ferricyanide and thiosulphate ions in aqueous solution, which to date has been almost solely limited to metallic nanomaterials. Significantly it was found that all the materials investigated, namely CuTCNQ, AgTCNQ, CuTCNQF4 and AgTCNQF4, were catalytically active and, interestingly, the fluorinated analogues were superior. AgTCNQF4 demonstrated the highest activity and was tested for its stability and re-usability for up to 50 cycles without degradation in performance. The catalytic reaction was monitored via UV-vis spectroscopy and open circuit potential versus time measurements, as well as an investigation of the transport properties of the films via electrochemical impedance spectroscopy. It is suggested that morphology and bulk conductivity are not the limiting factors, but rather the balance between the accumulated surface charge from electron injection via thiosulphate ions on the catalyst surface and transfer to the ferricyanide ions which controls the reaction rate. The facile fabrication of re-usable surface confined organic materials that are catalytically active may have important uses for many more electron transfer reactions.

Effect of laser surface treatment on microstructure and properties of MRI 230D Mg alloy

A creep resistant Mg alloy MRI 230D was subjected to laser surface treatment using Nd:YAG laser equipped with a fiber optics beam delivery system in argon atmosphere. The laser surface treatment produced a fine dendritic microstructure and this treatment was beneficial for the corrosion and wear resistance of the alloy. Long-term linear polarisation resistance and Electrochemical Impedance Spectroscopy measurements confirmed that the polarisation resistance values of laser treated material were twice as high as that for the untreated material. This improved behaviour was due to the finer and more homogenous microstructure of the laser treated surface. The laser treatment also increased surface hardness two times and reduced the wear rate by 25% due to grain refinement and solid solution strengthening.