Writing self-assembled monolayers with Cs: Optimization of atomic nanolithography imaging using self-assembled monolayers on gold substrates

We report the results of a study into the factors controlling the quality of nanolithographic imaging. Self-assembled monolayer (SAM) coverage, subsequent postetch pattern definition, and minimum feature size all depend on the quality of the Au substrate used in material mask atomic nanolithographic experiments. We find that sputtered Au substrates yield much smoother surfaces and a higher density of {111}-oriented grains than evaporated Au surfaces. Phase imaging with an atomic force microscope shows that the quality and percentage coverage of SAM adsorption are much greater for sputtered Au surfaces. Exposure of the self-assembled monolayer to an optically cooled atomic Cs beam traversing a two-dimensional array of submicron material masks mounted a few microns above the self-assembled monolayer surface allowed determination of the minimum average Cs dose (2 Cs atoms per self-assembled monolayer molecule) to write the monolayer. Suitable wet etching, with etch rates of 2.2 nm min-1, results in optimized pattern definition. Utilizing these optimizations, material mask features as small as 230 nm in diameter with a fractional depth gradient of 0.820 nm were realized.

The nature of alkanethiol self-assembled monolayer adsorption on sputtered gold substrates

A detailed study of the self-assembly and coverage by 1-nonanethiol of sputtered Au surfaces using molecular resolution atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM) is presented. The monolayer self-assembles on a smooth Au surface composed predominantly of {111} oriented grains. The domains of the alkanethiol monolayer are observed with sizes typically of 5-25 nm, and multiple molecular domains can exist within one Au grain. STM imaging shows that the (4 × 2) superlattice structure is observed as a (3 × 2√3) structure when imaged under noncontact AFM conditions. The 1-nonanethiol molecules reside in the threefold hollow sites of the Au{111} lattice and aligned along its lattice vectors. The self-assembled monolayer (SAM) contains many nonuniformities such as pinholes, domain boundaries, and monatomic depressions which are present in the Au surface prior to SAM adsorption. The detailed observations demonstrate limitations to the application of 1-nonanethiol as a resist in atomic nanolithography experiments to feature sizes of ∼20 nm.

Loosely packed self-assembled monolayer of N-hexadecyl-3,6-di(p-mercaptophenylacetylene)carbazole on gold and its application in biomimetic membrane research

Dithiols of N-hexadecyl-3,6-di(p-mercaptophenylacetylene)carbazole (HDMC) have been synthesized and employed to form self-assembled monolayers (SAMs) on gold. One characteristic of the HDMC molecule is its peculiar molecular structure consisting of a large and rigid headgroup and a small and flexible alkyl-chain tail. HDMC adsorbates can attach to gold substrates by a strong Au-S bond with weak van der Waals interactions between the alkyl-chain tails, leading to a loosely packed hydrophobic SAM. In this way we can couple hybrid bilayer membranes (HBMs) to gold surfaces with more likeness to a cell bilayer than the conventional HBMs based on densely packed long-chain alkanethiol SAMs. The insulating properties and stability of the HDMC monolayer as well as the HDMC/lipid bilayer on gold have been investigated by electrochemical techniques including cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. To test whether the quality of the bilayer is sufficiently high for biomimetic research, we incorporated the pore-forming protein a-hemolysin) and the horseradish peroxidase into the bilayers, respectively.

Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of C70 thin films

Scanning tunneling microscopy of C-70 films deposited on HOPG and gold substrates has been carried but to investigate the 2D packing, defects and disorder. Besides providing direct evidence for orientational disorder, high resolution; images showing the carbon skeleton as well as the molecular arrangement in a solid solution of C-70 and C-60 are presented. Tunneling conductance measurements Indicate a small gap in the C-70 film deposited on HOPG substrate.

运用含有偶氮苯的自组装单层膜在光化学条件下可逆地控制细胞黏附

细胞生物学研究的一个重要方向是动态地控制细胞在基底上的黏附。最近，随着表面化学的研究深入，尤其是对烷基硫醇在金基底上形成自组装单层膜（self-assembled monolayers, SAMs）这一体系的研究，使得人们能在分子水平的表面上控制细胞黏附。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartate, RGD）序列首先是从细胞外基质蛋白中分离出来的，能够识别并非共价结合细胞膜表面的整合素受体，从而促进细胞黏附。以前的一些工作已经证实，将含有RGD的肽链连接到SAMs表面之后，能够生物特异性地黏附动物细胞。已有的手段比如光照、电压、加热、微电极、微流控以及表面纳米形貌的梯度变化，都不能真正实现可逆地控制细胞黏附，原因是这些方法所用的化学有限；这些方法也不能得到完全抗拒细胞黏附的表面，原因是这些方法产生的表面缺陷等不完整。用两种不同波长的光（紫外光和可见光）照射偶氮苯，偶氮苯会发生可逆的光致异构变化，因此，偶氮苯的光致异构性质可以用来可逆地控制细胞在表面黏附。运用含有偶氮苯的混合SAMs，偶氮苯的末端连接GRGDS肽，混合SAMs中是以末端为六聚乙二醇的硫醇为背景，该SAMs修饰而成的表面能够黏附或者抗拒细胞黏附，其表面黏附性质取决于SAMs中偶氮苯的构象。该方法提供了一种在分子水平的表面上我们所了解到的唯一能可逆控制细胞黏附的方法，该方法需要用到的光源来自于标准荧光显微镜所配置的汞灯。 为了实现在金基底表面可逆的控制细胞黏附，我们合成了如下三个化合物： 由于化合物1的溶解性很差，几乎在所有溶剂里都不溶，所以不能直接用化合物1制备SAMs；化合物2能高效地抗拒细胞的黏附；化合物3的偶氮苯末端是活化酯，能够连接GRGDS肽，从而控制细胞黏附。 将化合物2和化合物3以一定的比例均匀混合在金基底表面形成SAMs，然后将GRGDS肽连接到偶氮苯(反式)的末端（通过GRGDS肽的甘氨酸上的伯胺基与偶氮苯末端的活化酯反应），从而得到细胞黏附的表面。用紫外光照射该细胞黏附表面5-10小时，随着偶氮苯的构象由反式变为顺式，偶氮苯末端的GRGDS肽淹没在化合物2的六聚乙二醇中，得到抗拒细胞黏附的惰性表面。再用可见光照射该惰性表面1个小时，随着偶氮苯的构象由顺式变为反式，原先埋没在六聚乙二醇中的GRGDS肽伸展至单层膜的末端，又得到了细胞黏附的表面。因此，该表面能完全可逆地控制细胞在金表面黏附。 An important area in cell biology is the dynamic control of cell adhesion on substrates. Recent advancements in surface chemistry, in particular, self-assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols on gold substrates, have permitted unprecedented control of cell adhesion via molecularly defined surfaces. The tri-peptide sequence arginine-glycine-aspartate (RGD), initially isolated from the extracellular matrix (ECM) proteins, can recognize and non-covalently bind with integrin receptors on cell membranes to promote cell adhesion. Some previous work has demonstrated that RGD peptide grafted on SAMs can allow bio-specific adhesion of mammalian cells that mimic natural adhesion. Existing technologies such as light, voltage, heat, microelectrodes, microfluidic systems and surface gradient of nanotopography, either cannot realize fully reversible control of cell adhesion, due to the limitation in the chemistry used, or cannot yield a surface completely resistant against cell adhesion, due to the imperfection of surfaces. Azobenzenes undergo reversible photo-induced isomerization rapidly at two different wavelengths of light (UV and visible light), it therefore potentially allows the reversible control of cell adhesion on a surface. By using a mixed SAMs presenting azobenzene groups terminated in GRGDS peptides in a background of hexa(ethylene glycol) groups, the surface can either accommodate or resist cell adhesion depending on the conformation of the azobenzene embedded in SAMs. This method provides the only means we know to control cell adhesion reversibly on a molecularly well-defined surface by using light generated by a mercury lamp equipped on standard fluorescence microscopes. To realize the reversible control of cell adhesion on gold surface, we synthesized three kinds of compounds as following, We found that it was difficult to obtain SAMs directly from compound 1 because of its poor solubility in almost all kinds of solvents; compound 2 can resist cell adhesion efficiently; compound 3 presents an azobenzene terminated with NHS-activated ester, which can couple with a GRGDS peptide to control cell adhesion. After coating a gold surface with compound 2 and 3 in appropriate ratios to form a SAM followed by coupling the GRGDS peptides with NHS-activated esters at the end of azobenzene (E configuration) resulted in a cell-adhesive SAM. Irradiating this cell-adhesive SAM with UV light for 5-10 h converted the E configuration of azobenzene into the Z form, the GRGDS peptides becoming masked in the PEG, resulting in a cell-resistant surface. These SAM could again support cell adhesion as a result of the conformational switch of azobenzene from Z to E with the irradiation of visible light for 1 h. This surface, therefore, allows completely reversible control of cell adhesion on a gold surface.

Supported phospholipid membranes: Comparison among different deposition methods for a phospholipid monolayer

Supported lipid membranes consisting of self-assembled alkanethiol and lipid monolayers on gold substrates could be produced by three different deposition methods: the Langmuir-Blodgett (L-B) technique, the painted method, and the paint-freeze method, By using cyclic voltammetry, chronoamperometry/chronocoulometry and a.c. impedance measurements, we demonstrated that lipid membranes prepared by these three deposition methods had obvious differences in specific capacitance, resistance and thickness. The specific capacitance of lipid membranes prepared by depositing an L-B monolayer on the alkanethiol alkylated surfaces was 0.53 mu Fcm(-2), 0.44 mu Fcm(-2) by the painted method and 0.68 mu Fcm(-2) by the paint-freeze method. The specific conductivity of lipid membranes prepared by the L-B method was over three times lower than that of the painted lipid membranes, while that of the paint-freeze method was the lowest. The difference among the three types of lipid membranes was ascribed to the influence of the organic solvent in lipid films and the changes in density of the films. The lipid membranes prepared by the usual painted method contained a trace amount of the organic solvent. The organic solvent existing in the hydrocarbon core of the membrane reduced the density of the membrane and increased the thickness of the membrane. The membrane prepared by depositing an L-B monolayer containing no solvent had higher density and the lowest fluidity, and the thickness of the membrane was smaller. The lipid membrane prepared by the paint-freeze method changed its structure sharply at the lower temperature. The organic solvent was frozen out of the membrane while the density of the membrane increased greatly. All these caused the membrane to exist in a ''tilted'' state and the thickness of this membrane was the smallest. The lipid membrane produced by the paint-freeze method was a membrane not containing organic solvent. This method was easier in manipulation and had better reproducibility than that of the usual painting method and the method of forming free-standing lipid film. The solvent-free membrane had a long lifetime and a higher mechanical stability. This model membrane would be useful in many areas of scientific research.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1 ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat und N-heterocyclische Carbene als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen

Aufbauend auf den Arbeiten von Bielawski et al. und Siemeling et al. wurden im Rahmen dieser Arbeit unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat synthetisiert. Ausgehend von der literaturbekannten Verbindung 1,1’-Diaminoferrocen gelang die Einführung der exocyclischen Substituenten an den Stickstoffatomen lediglich durch die Anpassung der Stöchiometrie in den einzelnen Syntheseschritten. Es wurden die folgenden drei NHCs synthetisiert: N-(2-Adamantyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ad/Np), N-Neopentyl-N’-phenyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ph/Np) und N-(9-Anthracenylmethyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Acm/Np). Das Carben Ad/Np konnte dabei erfolgreich isoliert werden, während die anderen zwei Carbene als Liganden in Komplexen des Typs [RhCl(COD)(NHC)] stabilisiert wurden. Von allen drei Carbenen wurden Rhodium-Carben-Komplexe des Typs [RhCl(COD)(NHC)] und cis-[RhCl(CO)2(NHC)] synthetisiert. Anhand der röntgenkristallographischen und NMR-spektroskopischen Untersuchungen dieser Rhodiumkomplexe konnten in allen sechs Komplexen anagostische Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Rhodiumatom und den Wasserstoffatomen der exocyclischen Substituenten, die sich in α-Position zu den Stickstoffatomen befinden, nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden anhand der cis-[RhCl(CO)2(NHC)]-Komplexe die TEP-Werte der Carbene bestimmt. Gemessen in DCM betragen diese 2049 cm-1 (Ad/Np), 2049 cm-1 (Ph/Np) und 2051 cm-1 (Acm/Np). Unabhängig von den unsymmetrisch substituierten NHCs mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung von NHCs als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen überprüft. Hierzu wurden Tetraalkylimidazol-2-ylidene synthetisiert, welche als 0.01 mM Lösung auf Gold(111)-Substrate aufgebracht wurden. Die Goldsubstrate wurden anschließend mittels XPS untersucht. Die XPS-Analyse der modifizierten Goldsubstrate zeigte, dass eine Bindung der Carbene auf der Oberfläche stattgefunden hat. Es zeigte sich allerdings auch, dass keine SAM gebildet wurden, da die Oberfläche signifikant mit kohlen- und sauerstoffbasierten Verbindungen kontaminiert ist. Dabei kann vermutet werden, dass die Carbene nicht ausschließlich auf der Goldoberfläche selbst, sondern auch mit den auf der Oberfläche befindlichen Verbindungen reagiert haben.

Melanin as an active layer in biosensors

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

An EQCM-D study of the influence of chloride on the lead anodic oxidation

The influence of chloride on the electrodeposition of lead films and their dissolution in anodic stripping voltammetric experiments was examined. Gold substrates were plated with lead films, and mass changes were monitored by using the electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation factor (EQCM-D). The results showed that the amount of electrodeposited lead is slightly dependent on the chloride concentration. The charge/mass ratio data indicated the presence of Pb(I) and Pb(II) as a result of film dissolution, and the precipitation and deposition of PbCl2 onto the electrode surface. Scanning electron microscopy images revealed that the morphology of the lead film was strongly influenced by chloride present in the plating solution and that much rougher films were obtained in comparison with those obtained in the absence of chloride. The rate of the anodic dissolution was higher for lead films with higher surface areas, which lead to an increase in their stripping voltammetric currents. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

Surface-plasmon optical and electrochemical characterization of biofunctional surface architectures

The development and characterization of biomolecule sensor formats based on the optical technique Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectroscopy and electrochemical methods were investigated. The study can be divided into two parts of different scope. In the first part new novel detection schemes for labeled targets were developed on the basis of the investigations in Surface-plamon Field Enhanced Spectroscopy (SPFS). The first one is SPR fluorescence imaging formats, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Microscopy (SPFM). Patterned self assembled monolayers (SAMs) were prepared and used to direct the spatial distribution of biomolecules immobilized on surfaces. Here the patterned monolayers would serve as molecular templates to secure different biomolecules to known locations on a surface. The binding processed of labeled target biomolecules from solution to sensor surface were visually and kinetically recorded by the fluorescence microscope, in which fluorescence was excited by the evanescent field of propagating plasmon surface polaritons. The second format which also originates from SPFS technique, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Spectrometry (SPFSm), concerns the coupling of a fluorometry to normal SPR setup. A spectrograph mounted in place of photomultiplier or microscope can provide the information of fluorescence spectrum as well as fluorescence intensity. This study also firstly demonstrated the analytical combination of surface plasmon enhanced fluorescence detection with analyte tagged by semiconducting nano- crystals (QDs). Electrochemically addressable fabrication of DNA biosensor arrays in aqueous environment was also developed. An electrochemical method was introduced for the directed in-situ assembly of various specific oligonucleotide catcher probes onto different sensing elements of a multi-electrode array in the aqueous environment of a flow cell. Surface plasmon microscopy (SPM) is utilized for the on-line recording of the various functionalization steps. Hybridization reactions between targets from solution to the different surface-bound complementary probes are monitored by surface-plasmon field-enhanced fluorescence microscopy (SPFM) using targets that are either labeled with organic dyes or with semiconducting quantum dots for color-multiplexing. This study provides a new approach for the fabrication of (small) DNA arrays and the recording and quantitative evaluation of parallel hybridization reactions. In the second part of this work, the ideas of combining the SP optical and electrochemical characterization were extended to tethered bilayer lipid membrane (tBLM) format. Tethered bilayer lipid membranes provide a versatile model platform for the study of many membrane related processes. The thiolipids were firstly self-assembled on ultraflat gold substrates. Fusion of the monolayers with small unilamellar vesicles (SUVs) formed the distal layer and the membranes thus obtained have the sealing properties comparable to those of natural membranes. The fusion could be monitored optically by SPR as an increase in reflectivity (thickness) upon formation of the outer leaflet of the bilayer. With EIS, a drop in capacitance and a steady increase in resistance could be observed leading to a tightly sealing membrane with low leakage currents. The assembly of tBLMs and the subsequent incorporation of membrane proteins were investigated with respect to their potential use as a biosensing system. In the case of valinomycin the potassium transport mediated by the ion carrier could be shown by a decrease in resistance upon increasing potassium concentration. Potential mediation of membrane pores could be shown for the ion channel forming peptide alamethicin (Alm). It was shown that at high positive dc bias (cis negative) Alm channels stay at relatively low conductance levels and show higher permeability to potassium than to tetramethylammonium. The addition of inhibitor amiloride can partially block the Alm channels and results in increase of membrane resistance. tBLMs are robust and versatile model membrane architectures that can mimic certain properties of biological membranes. tBLMs with incorporated lipopolysaccharide (LPS) and lipid A mimicking bacteria membranes were used to probe the interactions of antibodies against LPS and to investigate the binding and incorporation of the small antimicrobial peptide V4. The influence of membrane composition and charge on the behavior of V4 was also probed. This study displays the possibility of using tBLM platform to record and valuate the efficiency or potency of numerous synthesized antimicrobial peptides as potential drug candidates.

New sensing platforms based on nanoscopic devices for probing protein-membrane interactions

A novel nanosized and addressable sensing platform based on membrane coated plasmonic particles for detection of protein adsorption using dark field scattering spectroscopy of single particles has been established. To this end, a detailed analysis of the deposition of gold nanorods on differently functionalized substrates is performed in relation to various factors (such as the pH, ionic strength, concentration of colloidal suspension, incubation time) in order to find the optimal conditions for obtaining a homogenous distribution of particles at the desired surface number density. The possibility of successfully draping lipid bilayers over the gold particles immobilized on glass substrates depends on the careful adjustment of parameters such as membrane curvature and adhesion properties and is demonstrated with complementary techniques such as phase imaging AFM, fluorescence microscopy (including FRAP) and single particle spectroscopy. The functionality and sensitivity of the proposed sensing platform is unequivocally certified by the resonance shifts of the plasmonic particles that were individually interrogated with single particle spectroscopy upon the adsorption of streptavidin to biotinylated lipid membranes. This new detection approach that employs particles as nanoscopic reporters for biomolecular interactions insures a highly localized sensitivity that offers the possibility to screen lateral inhomogeneities of native membranes. As an alternative to the 2D array of gold nanorods, short range ordered arrays of nanoholes in optically transparent gold films or regular arrays of truncated tetrahedron shaped particles are built by means of colloidal nanolithography on transparent substrates. Technical issues mainly related to the optimization of the mask deposition conditions are successfully addressed such that extended areas of homogenously nanostructured gold surfaces are achieved. Adsorption of the proteins annexin A1 and prothrombin on multicomponent lipid membranes as well as the hydrolytic activity of the phospholipase PLA2 were investigated with classical techniques such as AFM, ellipsometry and fluorescence microscopy. At first, the issues of lateral phase separation in membranes of various lipid compositions and the dependency of the domains configuration (sizes and shapes) on the membrane content are addressed. It is shown that the tendency for phase segregation of gel and fluid phase lipid mixtures is accentuated in the presence of divalent calcium ions for membranes containing anionic lipids as compared to neutral bilayers. Annexin A1 adsorbs preferentially and irreversibly on preformed phosphatidylserine (PS) enriched lipid domains but, dependent on the PS content of the bilayer, the protein itself may induce clustering of the anionic lipids into areas with high binding affinity. Corroborated evidence from AFM and fluorescence experiments confirm the hypothesis of a specifically increased hydrolytic activity of PLA2 on the highly curved regions of membranes due to a facilitated access of lipase to the cleavage sites of the lipids. The influence of the nanoscale gold surface topography on the adhesion of lipid vesicles is unambiguously demonstrated and this reveals, at least in part, an answer for the controversial question existent in the literature about the behavior of lipid vesicles interacting with bare gold substrates. The possibility of formation monolayers of lipid vesicles on chemically untreated gold substrates decorated with gold nanorods opens new perspectives for biosensing applications that involve the radiative decay engineering of the plasmonic particles.

Multifunctional water-soluble phosphorus dendrimers

Dendrimers are polymeric macromolecules with a regularly branched structure and are synthesised in an iterative fashion. Due to their monodispersity, well-defined shape and extremely high functionality, dendrimers are ideal nano-sized objects for functional and biocompatible surface coatings, biosensing and biomedicine. This dissertation describes the synthesis of ten novel water-soluble phosphorus containing dendrimers and their application in different biological and biomimetic systems. The dendrimers can be divided into two classes; the first type contains either a ferrocene at the core or 24 ferrocenes in the branches. They showed reversible reduction-oxidation behaviour and might be applied in electronic multilayered architectures. Dendrimers of the second class carry a dithiolane functionalised core that can strongly bind to noble metals, like gold substrates. Although such dendrimer coated substrates were unable to tether defect-free lipid bilayer membranes, the coatings were successfully applied for culturing Human Osteoblast cells. The cell adhesion to a coating of polycationic dendrimers was so strong that cell division could not take place, specifically evoking apoptosis. The polyanionic dendrimers, however, promoted excellent cell adhesion and proliferation. Therefore, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned, such as in dendrimer coatings for tissue engineering and or medical implants.

Atomic nanolithography patterning of submicron features: writing an organic self-assembled monolayer with cold bright Cs atom beams

Cs atom beams, transversely collimated and cooled, passing through material masks in the form of arrays of reactive-ion-etched hollow Si pyramidal tips and optical masks formed by intense standing light waves, write submicron features on self-assembled monolayers (SAMs). Features with widths as narrow as 43 ± 6 nm and spatial resolution limited only by the grain boundaries of the substrate have been realized in SAMs of alkanethiols. The material masks write two-dimensional arrays of submicron holes; the optical masks result in parallel lines spaced by half the optical wavelength. Both types of feature are written to the substrate by exposure of the masked SAM to the Cs flux and a subsequent wet chemical etch. For the arrays of pyramidal tips, acting as passive shadow masks, the resolution and size of the resultant feature depends on the distance of the mask array from the SAM, an effect caused by the residual divergence of the Cs atom beam. The standing wave optical mask acts as an array of microlenses focusing the atom flux onto the substrate. Atom 'pencils' writing on SAMs have the potential to create arbitrary submicron figures in massively parallel arrays. The smallest features and highest resolutions were realized with SAMs grown on smooth, sputtered gold substrates.