NIR luminescent Er3+/Yb3+ co-doped SiO2-ZrO2 nanostructured planar and channel waveguides: Optical and structural properties

Optical and structural properties of planar and channel waveguides based on sol gel Er3+ and Yb3+ co-doped SiO2-ZrO2 are reported. Microstructured channels with high homogeneous surface profile were written onto the surface of multilayered densified films deposited on SiO2/Si substrates by a femtosecond laser etching technique. The densification of the planar waveguides was evaluated from changes in the refractive index and thickness, with full densification being achieved at 900 degrees C after annealing from 23 up to 500 min, depending on the ZrO2 content Crystal nucleation and growth took place together with densification, thereby producing transparent glass ceramic planar waveguides containing rare earth-doped ZrO2 nanocrystals dispersed in a silica-based glassy host Low roughness and crack-free surface as well as high confinement coefficient were achieved for all the compositions. Enhanced NIR luminescence of the Er3+ ions was observed for the Yb3+- codoped planar waveguides, denoting an efficient energy transfer from the Yb3+ to the Er3+ ion. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The influence of different co-catalysts in Pt-based ternary and quaternary electro-catalysts on the electro-oxidation of methanol and ethanol in acid media

One of the key objectives in fuel cell technology is to reduce Pt loading by the improvement of its catalytic activity towards alcohol oxidation. Here, a sol-gel based method was used to prepare ternary and quaternary carbon supported nanoparticles by combining Pt-Ru with Mo, Ta, Pb, Rh or Ir, which were used as electro-catalysts for the methanol and ethanol oxidation reactions in acid medium. Structural characterization performed by XRD measurements revealed that crystalline structures with crystallites ranging from 2.8 to 4.1 nm in size and with different alloy degrees were produced. Tantalum and lead deposited as a heterogeneous mixture of oxides with different valences resulting in materials with complex structures. The catalysts activities were evaluated by cyclic voltammetry and by Tafel plots and the results showed that the activity towards methanol oxidation was highly dependent of the alloy degree, while for ethanol the presence of a metal capable to promote the break of C-C bond, such as Rh, was necessary for a good performance. Additionally, the catalysts containing of TaOx or PbOx resulted in the best materials due to different effects: the hi-functional mechanism promoted by TaOx and a better dispersion of the catalysts constituents promoted by PbOx. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

STRATEGIES FOR PREPARATION OF MOLECULARLY IMPRINTED POLYMERS MODIFIED ELECTRODES AND THEIR APPLICATION IN ELECTROANALYSIS: A REVIEW

Molecularly imprinted polymers (MIP's) have been applied in several areas of analytical chemistry, including the modification of electrodes. The main purpose of such modification is improving selectivity; however, a gain in sensitivity was also observed in many cases. The most frequent approaches for these modifications are the electrodeposition of polymer films and sol gel deposits, spin and drop coating and self-assembling of films on metal nanoparticles. The preparation of bulk (body) modified composites as carbon pastes and polymer agglutinated graphite have also been investigated. In all cases several analytes including pharmaceuticals, pesticides, and inorganic species, as well as molecules with biological relevance have been successfully used as templates and analyzed with such devices in electroanalytical procedures. Herein, 65 references are presented concerning the general characteristics and some details related to the preparation of MIP's including a description of electrodes modified with MIP's by different approaches. The results using voltammetric and amperometric detection are described.

Sequential Methyl-Fluorine Exchange Reactions of Siloxide Ions in the Gas Phase

Air Force Office of Scientific Research (AFOSR)

Effect of the vanadium(V) concentration on the spectroscopic properties of nanosized europium-doped yttrium phosphates

Nanosized rare earth phosphovanadate phosphors (Y(P,V)O-4:Eu3+) have been prepared by applying the organic-inorganic polymeric precursors methodology. Luminescent powders with tetragonal structure and different vanadate concentrations (0%, 1%, 5%, 10%, 20%, 50%, and 100%, with regard to the phosphate content) were then obtained for evaluation of their structural and spectroscopic properties. The solids were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, vibrational spectroscopy (Raman and infrared), and electronic spectroscopy (emission, excitation, luminescence lifetimes, chromaticity, quantum efficiencies, and Judd-Ofelt intensity parameters). The solids exhibited very intense D-5(0) -> F-7(J) Eu3+ transitions, and it was possible to control the luminescent characteristics, such as excitation maximum, lifetime and emission colour, through the vanadium(V) concentration. The observed luminescent properties correlated to the characteristics of the chemical environments around the Eu3+ ions with respect to the composition of the phosphovanadates. The Eu3+ luminescence spectroscopy results indicated that the presence of larger vanadium(V) amounts in the phosphate host lattice led to more covalent and polarizable chemical environments. So, besides allowing for control of the luminescent properties of the solids, the variation in the vanadate concentration in the obtained YPO4:Eu3+ phosphors enabled the establishment of a strict correlation between the observable spectroscopic features and the chemical characteristics of the powders.

Solvatationsdynamik: lokales Relaxationsverhalten glasbildender Systeme

In dieser Arbeit wurde das lokale Relaxationsverhalten niedermolekularer glasbildender Materialien mit der Methode der Solvatationsdynamik untersucht. Bei dieser Methode werden phosphoreszente Farbstoffe als molekulare Sonden für die lokale Dynamik im Glasbildner eingesetzt. Je nach verwendeter Sonde sind unterschiedliche Eigenschaften zugänglich:Mit Farbstoffen, die ihr Dipolmoment bei optischer Anregung nicht ändern, wird eine mechanische Solvatation gemessen, die die lokale viskoelastische Antwort des Materials widerspiegelt. Mit Farbstoffen, die eine Änderung des Dipolmoments bei optischer Anregung aufweisen,sind zusätzlich lokale dielektrische Eigenschaften des Materials zugänglich, die bei endlicher Polarität des Lösungsmittels dominieren. Das heterogene Relaxationsverhalten des Glasbildners 2-Methyltetrahydrofuran wurde quantitativ untersucht.Auf einem Temperaturbereich, auf dem die mittlere Relaxationszeit um mehr als 4 Dekaden variiert, konnte gezeigt werden, daß die Relaxation lokal rein exponentiell verläuft. Zur Abschätzung von Reichweiteneffekten wurden Solvatationsmessungen in einschränkenden Geometrien in Form von porösen Sol-Gel Gläsern mit Porendurchmessern zwischen 7,5-2,5 nm durchgeführt. Der Einfluß der Beschaffenheit der Porenoberfläche wurde durch Vergleichzwischen der Solvatation in nativen und in silanisierten Gläsern untersucht. Es wurde gezeigt, daß auch in den kleinsten verwendeten silanisierten Poren alle Charakteristika des jeweiligen Bulk-Systems erhalten bleiben.In den nativen porösen Gläsern dagegen führt der Einfluß der stark polaren Oberfläche zu einer Änderung der Dynamik.

Catalytic liquid- and gas-phase oxidations for the synthesis of intermediates and specialty chemicals: some examples of industrial relevance

Nowadays, it is clear that the target of creating a sustainable future for the next generations requires to re-think the industrial application of chemistry. It is also evident that more sustainable chemical processes may be economically convenient, in comparison with the conventional ones, because fewer by-products means lower costs for raw materials, for separation and for disposal treatments; but also it implies an increase of productivity and, as a consequence, smaller reactors can be used. In addition, an indirect gain could derive from the better public image of the company, marketing sustainable products or processes. In this context, oxidation reactions play a major role, being the tool for the production of huge quantities of chemical intermediates and specialties. Potentially, the impact of these productions on the environment could have been much worse than it is, if a continuous efforts hadn’t been spent to improve the technologies employed. Substantial technological innovations have driven the development of new catalytic systems, the improvement of reactions and process technologies, contributing to move the chemical industry in the direction of a more sustainable and ecological approach. The roadmap for the application of these concepts includes new synthetic strategies, alternative reactants, catalysts heterogenisation and innovative reactor configurations and process design. Actually, in order to implement all these ideas into real projects, the development of more efficient reactions is one primary target. Yield, selectivity and space-time yield are the right metrics for evaluating the reaction efficiency. In the case of catalytic selective oxidation, the control of selectivity has always been the principal issue, because the formation of total oxidation products (carbon oxides) is thermodynamically more favoured than the formation of the desired, partially oxidized compound. As a matter of fact, only in few oxidation reactions a total, or close to total, conversion is achieved, and usually the selectivity is limited by the formation of by-products or co-products, that often implies unfavourable process economics; moreover, sometimes the cost of the oxidant further penalizes the process. During my PhD work, I have investigated four reactions that are emblematic of the new approaches used in the chemical industry. In the Part A of my thesis, a new process aimed at a more sustainable production of menadione (vitamin K3) is described. The “greener” approach includes the use of hydrogen peroxide in place of chromate (from a stoichiometric oxidation to a catalytic oxidation), also avoiding the production of dangerous waste. Moreover, I have studied the possibility of using an heterogeneous catalytic system, able to efficiently activate hydrogen peroxide. Indeed, the overall process would be carried out in two different steps: the first is the methylation of 1-naphthol with methanol to yield 2-methyl-1-naphthol, the second one is the oxidation of the latter compound to menadione. The catalyst for this latter step, the reaction object of my investigation, consists of Nb2O5-SiO2 prepared with the sol-gel technique. The catalytic tests were first carried out under conditions that simulate the in-situ generation of hydrogen peroxide, that means using a low concentration of the oxidant. Then, experiments were carried out using higher hydrogen peroxide concentration. The study of the reaction mechanism was fundamental to get indications about the best operative conditions, and improve the selectivity to menadione. In the Part B, I explored the direct oxidation of benzene to phenol with hydrogen peroxide. The industrial process for phenol is the oxidation of cumene with oxygen, that also co-produces acetone. This can be considered a case of how economics could drive the sustainability issue; in fact, the new process allowing to obtain directly phenol, besides avoiding the co-production of acetone (a burden for phenol, because the market requirements for the two products are quite different), might be economically convenient with respect to the conventional process, if a high selectivity to phenol were obtained. Titanium silicalite-1 (TS-1) is the catalyst chosen for this reaction. Comparing the reactivity results obtained with some TS-1 samples having different chemical-physical properties, and analyzing in detail the effect of the more important reaction parameters, we could formulate some hypothesis concerning the reaction network and mechanism. Part C of my thesis deals with the hydroxylation of phenol to hydroquinone and catechol. This reaction is already industrially applied but, for economical reason, an improvement of the selectivity to the para di-hydroxilated compound and a decrease of the selectivity to the ortho isomer would be desirable. Also in this case, the catalyst used was the TS-1. The aim of my research was to find out a method to control the selectivity ratio between the two isomers, and finally to make the industrial process more flexible, in order to adapt the process performance in function of fluctuations of the market requirements. The reaction was carried out in both a batch stirred reactor and in a re-circulating fixed-bed reactor. In the first system, the effect of various reaction parameters on catalytic behaviour was investigated: type of solvent or co-solvent, and particle size. With the second reactor type, I investigated the possibility to use a continuous system, and the catalyst shaped in extrudates (instead of powder), in order to avoid the catalyst filtration step. Finally, part D deals with the study of a new process for the valorisation of glycerol, by means of transformation into valuable chemicals. This molecule is nowadays produced in big amount, being a co-product in biodiesel synthesis; therefore, it is considered a raw material from renewable resources (a bio-platform molecule). Initially, we tested the oxidation of glycerol in the liquid-phase, with hydrogen peroxide and TS-1. However, results achieved were not satisfactory. Then we investigated the gas-phase transformation of glycerol into acrylic acid, with the intermediate formation of acrolein; the latter can be obtained by dehydration of glycerol, and then can be oxidized into acrylic acid. Actually, the oxidation step from acrolein to acrylic acid is already optimized at an industrial level; therefore, we decided to investigate in depth the first step of the process. I studied the reactivity of heterogeneous acid catalysts based on sulphated zirconia. Tests were carried out both in aerobic and anaerobic conditions, in order to investigate the effect of oxygen on the catalyst deactivation rate (one main problem usually met in glycerol dehydration). Finally, I studied the reactivity of bifunctional systems, made of Keggin-type polyoxometalates, either alone or supported over sulphated zirconia, in this way combining the acid functionality (necessary for the dehydrative step) with the redox one (necessary for the oxidative step). In conclusion, during my PhD work I investigated reactions that apply the “green chemistry” rules and strategies; in particular, I studied new greener approaches for the synthesis of chemicals (Part A and Part B), the optimisation of reaction parameters to make the oxidation process more flexible (Part C), and the use of a bioplatform molecule for the synthesis of a chemical intermediate (Part D).

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Untersuchungen zur Löslichkeit von Kobalt und Eisen in TiO 2-Bulk sowie in TiO 2-Nanoproben und deren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften

Co- und Fe-dotierte Rutil- und Anatas-Bulkproben wurden über einen Sol-Gel Prozess und anschließende thermische Behandlung dargestellt und auf ihre Zugehörigkeit zu der Gruppe der verdünnten magnetischen Oxide untersucht. Die Untersuchungen der dotierten Rutil-Proben mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und magnetischen Methoden zeigen, dass die Löslichkeit von Co und Fe in der TiO2-Modifikation Rutil sehr gering ist. Oberhalb von 1at% Co bzw. Fe wird neben Rutil die Bildung der Oxide CoTiO3 bzw. Fe2TiO5 beobachtet. Weitere thermische Behandlung im Argon-H2-Strom führte aufgrund der Bildung von metallischem Co bzw. Fe zu einem ferromagnetischen Verhalten. Die TiO2-Modifikation Anatas besitzt eine höhere Löslichkeit, so dass erst oberhalb von 4at% Co bzw. 10at% Fe die Phasen Co3O4 bzw. FeTiO3 neben Anatas auftreten. Entsprechende Proben zeigen ein paramagnetisches Verhalten. Oberhalb der Löslichkeitsgrenze führt die Reduktion im Argon-H2-Strom zu einem ferromagnetischen Verhalten, welches auf metallisches Co bzw. Fe zurückzuführen ist. Analog zu den Bulkproben wurden Co- und Fe-dotierte TiO2-Nanodrähte hergestellt. Das magnetische Verhalten der Fe-dotierten TiO2-Nanodrähte entspricht dem der Fe-dotierten Anatas-Bulkproben. Dagegen führt die Co-Dotierung nicht zu einem Einbau in die TiO2-Nanodrähte, sondern zur Bildung von CoOx-Nanopartikeln. Die entsprechenden Proben zeigen ein schwach ferromagnetisches Verhalten. Dies ist jedoch nicht auf eine ferromagnetische Dotierung der TiO2-Nanodrähte zurückzuführen, sondern auf nicht kompensierte Momente an den Oberflächen der als Verunreinigungen auftretenden CoOx-Nanopartikel. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Löslichkeit von Co und Fe in TiO2 für die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens zu gering ist. Der beobachtete Ferromagnetismus lässt sich eindeutig auf magnetische Verunreinigungen zurückführen. Somit können die dotierten TiO2 Proben nicht den verdünnten magnetischen Oxiden zugeordnet werden.

Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.

Festkörper-NMR an polymeren Kompositmaterialien

In dieser Arbeit wurden polymere Kompositmaterialien mit Hilfe von Festkörper-NMR-Techniken untersucht, um den Einfluß von Polymer-Festkörper-Kontakten auf molekulare Materialeigenschaften zu betrachten. Dabei wurden sowohl Analysen am Polymer als auch am Füllmaterial durchgeführt.rnrnIm ersten Teil der Arbeit wurde die Dynamik von Poly(ethylmethacrylat) (PEMA) in sphärischen Bürstenpartikeln gemessen. Diese Bürsten bestanden aus einem Poly(silsesquioxan)-Kern und verpfropften PEMA-Ketten, die über ATRP (atom transfer radical polymerization) an verschiedenen Kettensequenzen mit 13C an der Carboxylgruppe markiert wurden. Statische 13C-NMR-Messungen konnten zeigen, dass die Dynamik dieser Sequenzen unabhängig vom Abstand zur Oberfläche verlangsamt ist, was auf eine eingeschränkte Reptation zurückgeführt wurde.rnrnDer zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Unterschieden von Silika-Naturkautschuk-Kompositen, die über mechanisches Mischen bzw. über eine Sol-Gel-Reaktion hergestellt wurden. Durch kinetische 1H-NMR-Messungen wurde der Umsatz der Sol-Gel-Reaktion bestimmt. Mittels heteronuklearen 29Si{1H}-NMR-Korrelationsexperimenten wurde ein direkter räumlicher Kontakt zwischen dem Inneren der Partikel und dem Polymer nachgewiesen. Dies belegt experimentell, dass im Kompositmaterial die Polymerketten in den durch Sol-Gel-Reaktion hergestellten Silikapartikeln eingeschlossen sind.

Photonen-Aufkonversion in Nanokapseln

Die vorliegende Dissertation zeigt eine erfolgreiche Verknüpfung der Triplett-Triplett-Annihilations-Aufkonversion (TTA-UC) mit möglichen biologischen Anwendungen. Die Grundlage für solche Anwendungen ist ein Transfer der TTA-UC aus seinem üblicherweise verwendeten organischen Medium in eine wässrige Umgebung. Um diesen Transfer zu realisieren, wurden, unter Anwendung der Technik des Miniemulsionsprozesses, in Wasser dispergierte Nanokapseln herstellt. Der Kern dieser Nanokapseln besteht aus einem flüssigen hydrophoben Medium (meist Hexadekan oder Phenylheptadekan), in dem die zur TTA-UC notwendigen Farbstoffe gelöst sind. Dieser flüssige Kern ist vollständig von einer festen Polymerhülle umschlossen und somit isoliert von seiner wässrigen Umgebung. Es wurden insgesamt drei Generationen solcher Nanokapseln hergestellt, die sich hauptsächlich im Herstellungsprozess, aber auch beim Material von Kern und Hülle unterscheiden. Mittels dieser Variationen konnten die Nanokapseln in Bezug auf Effizienz, Anregungswellenlänge und Sauerstoffempfindlichkeit optimiert werden. Bei der ersten Generation wurde die radikalische Miniemulsionspolymerisation zur Kapselbildung verwendet. Die zweite Generation wurde durch die Kombination des Lösungsmittelverdampfungsprozesses mit dem Miniemulsionsprozess entwickelt und liefert somit eine alternative Möglichkeit der Kapselbildung unter milden Reaktionsbedingungen, was eine uneingeschränkte Auswahl der UC-Farbstoffpaare ermöglicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Sensitizer konnte die Anregungswellenlänge der TTA-UC in den roten und in den nahen Infrarot-Bereich des sichtbaren Spektrums verschoben werden. Diese Verschiebung ist im biologischen Anwendungsbereich von enormer Bedeutung, da dort eine Überlappung mit dem natürlichen optischen Fenster von menschlicher Haut und Gewebe stattfindet. Dies reduziert die Streuung der Anregungsquelle im zu untersuchende Medium und ermöglicht hohe Eindringtiefen. Mit den Kapseln der zweiten Generation wurde zum ersten Mal TTA-UC in lebenden HeLa-Zellen (Krebszellen) und MSCs (Mesenchymale Stammzellen) nachgewiesen. Die verzögerte Fluoreszenz aus den Zellen wurde mit biologischen Standardverfahren, sowohl mit der Durchflusszytometrie (FACS) als auch am cLSM nachgewiesen. Besondere Vorteile gegenüber direkter Fluoreszenz konnten bei der Bildgebung von Zellen erreicht werden. Die relativ energiearme Anregungswellenlänge und die dazu anti-Stokes verschobene, detektierte verzögerte UC-Fluoreszenz lieferte eine bessere Bildqualität und eine sehr geringe Phototoxizität der Zellen. Die Kapseln der dritten Generation zeichnen sich durch ihre anorganische, tetraedrisch verknüpfte SiO2-Hülle aus und wurden mittels einer Grenzflächenreaktion (Sol-Gel-Prozess) in Miniemulsion hergestellt. Diese Kapseln weisen im Vergleich zu den Polymernanokapseln eine bessere UC-Effizienz auf und sind zusätzlich stabiler und robuster.

Development of Optically Based pH Sensing Hydrogel and Controlled Nitric Oxide Release Polymer

Nitric oxide has the potential to greatly improve intravascular measurements by locally inhibiting thrombus formation and dilating blood vessels. pH, the partial pressure of oxygen, and the partial pressure of carbon dioxide are three arterial blood parameters that are of interest to clinicians in the intensive care unit that can benefit from an intravascular sensor. This work explores fabrication of absorbance and fluorescence based pH sensing chemistry, the sensing chemistries' compatibility with nitric oxide, and a controllable nitric oxide releasing polymer. The pH sensing chemistries utilized various substrates, dyes, and methods of immobilization. Absorbance sensing chemistries used sol-gels, fumed silica particles, mesoporous silicon oxide, bromocresol purple, phenol red, bromocresol green, physical entrapment, molecular interactions, and covalent linking. Covalently linking the dyes to fumed silica particles and mesoporous silicon oxide eliminated leaching in the absorbance sensing chemistries. The structures of the absorbance dyes investigated were similar and bromocresol green in a sol-gel was tested for compatibility with nitric oxide. Nitric oxide did not interfere with the use of bromocresol green in a pH sensor. Investigated fluorescence sensing chemistries utilized silica optical fibers, poly(allylamine) hydrogel, SNARF-1, molecular interactions, and covalent linking. SNARF-1 covalently linked to a modified poly(allylamine) hydrogel was tested in the presence of nitric oxide and showed no interference from the nitric oxide. Nitric oxide release was controlled through the modulation of a light source that cleaved the bond between the nitric oxide and a sulfur atom in the donor. The nitric oxide donor in this work is S-nitroso-N-acetyl-D-penicillamine which was covalently linked to a silicone rubber made from polydimethylsiloxane. It is shown that the surface flux of nitric oxide released from the polymer films can be increased and decreased by increasing and decreasing the output power of the LED light source. In summary, an optical pH sensing chemistry was developed that eliminated the chronic problem of leaching of the indicator dye and showed no reactivity to nitric oxide released, thereby facilitating the development of a functional, reliable intravascular sensor.

Chemically-Addressable Protein Entrapment in Silica Sol-Gels

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Permeation of binary gas mixtures in ultramicroporous membranes

High-quality nanometer thick ultramicroporous membranes were prepared from silica sol-gel processes and tested for the permeation of binary gas mixtures of He, H-2, CO2, and CH4 across different temperature and partial pressure regimens. Pore size distribution by molecular probing showed that the majority of pore sizes had dimensions below 2.9 Angstrom. In 50:50 binary mixtures, the fluxes of gases increased as a function of temperature, indicating an activated transport mechanism. The ultramicroporous membranes showed high selectivities at 150 degreesC for He/CO2 (30), He/CH4 (93), H-2/CO2 (10), and H-2/CH4 (9) with lower selectivities for CO2/CH4 (5). High activation energies (E-a) were observed for the permeance of 50:50 binary mixtures containing He and H-2 of 22.1-27.5 and 17.6-23.1 kJ.mol(-1), respectively. The E-a for the permeance of the total mixture approached the E-a for the permeance of the molecule with the smaller kinetic diameter (He or H-2).