Dissertations / Theses on the topic 'Kolloidchemie'

Nach vielen methodischen Entwicklungen ist die Magnetresonanz-Tomografie (MRT) das vielseitigste bildgebende Verfahren für die biomedizinische Forschung und medizinische Diagnostik. Zur Verbesserung der Spezifität einer pathologisch induzierten Signalveränderung können zusätzlich exogene Kontrastmittel eingesetzt werden. Insbesondere gilt dies für Substanzen, die auf molekularbiologisch definierte Weise eine gezielte Signalveränderung (Markierung) erreichen. Diese Entwicklungen zu einer molekularen Bildgebung sowie der Trend zu höheren Magnetfeldstärken erfordern jedoch Nanosonden, die die konventionellen MRT-Kontrastmittel in ihrer Wirkung übertreffen. Sie sollen das Zielgewebe bereits in frühen Stadien einer krankhaften Veränderung nachweisen und die an seiner Bildung beteiligten Prozesse charakterisieren. Die bisher für diese Aufgabenstellung vorherrschenden MRT-Kontrastmittel sind superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPIO), die allerdings eine unerwünschte Erniedrigung des MRT-Signals („negativen“ Kontrast) bewirken. Das grundlegende Ziel dieser Arbeit war es daher, ein Kontrastmittel zu entwickeln, welches einen „positiven“ Kontrast, also eine Signalverstärkung, in der Hochfeld-MRT aufweist und darüber hinaus das Potenzial besitzt, in der biomedizinischen Forschung als gewebespezifische Marker für die molekulare Bildgebung eingesetzt zu werden. Zu diesem Zweck wurden neue Gadolinium-haltige Nanopartikel entwickelt, da sie aufgrund ihrer paramagnetischen Eigenschaften und großen Anzahl an Gd3+-Ionen pro Nanopartikel eine starke lokale Signalveränderung erzeugen sollten. Es wurden Gadolinium-haltige Nanopartikel unterschiedlicher Größe und struktureller Komposition hergestellt. Die vorliegende Arbeit liefert Erkenntnisse bezüglich der Wachstumsmechanismen und der Verteilung von Dotierungsionen geeigneter Nanopartikel. Die Wirkung der Nanopartikel auf das MRT-Signal wurde untersucht. Dabei zeigten kleine NaGdF4-Nanopartikel (3,0 nm) die größten spezifischen Relaxivitäten (7,3 l mmol-1 s-1) und damit großes Potenzial als Kontrastmittel für das Blut und das gesamte vaskuläre System. Es konnte weiter gezeigt werden, dass die spezifische Relaxivität mit abnehmendem Durchmesser steigt. Daraus geht hervor, dass Nanopartikel mit noch geringerem Durchmesser noch höhere spezifische Relaxivitäten erzielen würden. NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel zeigten sich in besonderem Maße geeignet für den zukünftigen Einsatz als gewebespezifisches Kontrastmittel. Die hohen nanopartikulären Relaxivitäten und die Möglichkeit, diese Nanopartikel als duales Kontrastmittel einzusetzen, machen sie besonders attraktiv für die biomedizinische Forschung. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Arbeit die Schlussfolgerung zu, dass Gadolinium-haltige Nanopartikel ein sehr hohes Potenzial als Kontrastmittel für die Hochfeld-MRT aufweisen. Besonders geeignet erscheinen hierfür NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel, da sie nicht nur hohe spezifische Relaxivitäten, sondern auch sehr hohe nanopartikuläre Relaxivitäten besitzen.

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie verschiedene Techniken zur Verstärkung der Raman-Streuung eingesetzt werden können, um selektiv und sensitiv Wirkstoffe zu charakterisieren und Proteine zu lokalisieren. Die UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie wurde zur selektiven Verfolgung der Wirkstoff-Substrat-Wechselwirkung zwischen einem Guanidiniocarbonyl-basierten Peptidrezeptor und seinem Substrat eingesetzt. Durch die enorme Resonanzverstärkung der Ramanstreuung konnten in einer Bindungsstudie die spektralen Änderung bei der Komplexierung des Rezeptors mit einem Tetrapeptid bei submillimolarer Konzentration in Wasser verfolgt werden. Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS) wurde zur ultrasensitiven Detektion von festphasengebundenen Substanzen eingesetzt. Die selektive Verstärkung der auf dem Harz gebundenen Substanz wurde durch aggregierte Silber-Nanopartikeln auf der Oberfläche der Harzkügelchen ermöglicht. So konnte auf einem einzigen Harzkügelchen in wenigen Sekunden das SERS-Spektrum einer Substanzmenge von nur 50 fmol aufgenommen werden. In einem SERS-mikroskopischen Raster-Experiment an der Oberfläche eines einzelnen Harzpartikels konnte die hohe Reproduzierbarkeit dieser Technik demonstriert werden. Zwei neue SERS-Marker zur Detektion von Biomolekülen werden abschließend vorgestellt. Bei beiden Marker-Typen werden die Raman-Signale von selbstorganisierenden Monolagen (self-assembled monolayer, SAM) aus Raman-Markern durch Gold/Silber-Nanoschalen als SERS-Substrat verstärkt. Der erste neue SERS-Marker-Typ wurde mit einer SAM aus Raman-Markern mit zwei unterschiedlich langen hydrophilen Abstandshalter-Gruppen synthetisiert. Über das Verhältnis von kurzem zu langem Abstandshalter kann die sterische Hinderung der Bindungsstellen in der SAM zur kontrollierten Konjugation an Antikörper minimiert werden. Der zweite SERS-Marker-Typ beruht auf der Silicaverkapselung einer SAM auf den Gold/Silber-Nanoschalen. Die silicaverkapselten SERS-Marker konnten nach der Oberflächenfunktionalisierung mit Amino-Gruppen über heterobifunktionelle Verknüpfungsreagenzien an Antikörper gekoppelt werden. Beide SERS-Marker wurden zur immunhistochemischen Lokalisierung des prostataspezifischen Antigens in Prostatagewebeschnitten eingesetzt
Different Raman techniques have been employed for the selective and sensitive characterization of drug-substrate interactions and for the selective localization of proteins. UV resonance Raman spectroscopy was used to monitor selectively the drug-target interaction between a guanidiniocarbonyl-based peptide receptor and its substrate. Due to the enormous resonance enhancement of the Raman scattering the spectral changes upon complexation of the receptor with a tetrapeptide could be characterized in a binding study at a submillimolar concentration in water. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) was employed for the ultra-sensitive detection of solid-phase bound substances. The selective enhancement of the solid-phase bound substance was realized with help of aggregated silver nanoparticles on the surface of the solid support. It was possible to detect a total amount of only approx. 50 fmole of the substance on a single resin bead. The high reproducibility of this technique was demonstrated in a SERS mapping experiment. Two approaches to new SERS labels for the detection of biomolecules are presented. In both types of labels the signal is generated from self-assembled monolayers (SAM) of Raman labels on gold/silver nanoshells as the SERS substrate. The first new type of SERS labels was synthesized with a SAM of Raman labels containing hydrophilic spacer groups with different lengths. The stoichiometric ratio between the short and the long spacer allows a minimization of the sterical hinderance of the reactive groups in the SAM for a controlled conjugation to antibodies. The second type of SERS labels includes the silica-encapsulation of a SAM on gold/silver nanoshells. The surface of the silica-encapsulated SERS labels were aminofunctionalized and conjugated to antibodies via heterobifunctional crosslinkers. With both types of SERS labels the prostate-specific antigen as a target protein was localized in prostate tissue sections

Smartphones, schnell faltbar für die Hosentasche, ein Laptop, dünn wie Papier mit gestochen scharfem Kontrast, transparente Displays in Windschutzscheiben von Fahrzeugen, oder Fensterscheiben - Diese Technologien werden zunehmend als reale Szenarien diskutiert und haben Eines gemeinsam. Ihre Verwirklichung wird erst durch den Einsatz organischer Leuchtdioden (engl. organic light emitting diode, OLED) ermöglicht. Vor allem in internetbasierten Technologien, sowie neuartiger Displaytechniken und modernem Lichtmanagement wurde das Potential der OLEDs von der Industrie erkannt. Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln zeichnen sich OLEDs durch eine hohe Energieeffizienz aus. Ihre herausragende Eigenschaft als einzige Lichtquelle, direkt flächiges Licht abzugeben und zudem die Möglichkeit des Aufbaus aus flexiblen, transparenten Dünnschichten geben den OLEDs eine Sonderstellung für diese zukünftigen Anwendungen. Auch die steigende Anzahl an OLED-gestützten Produkten wie Bildschirmen, Smartphones und anderen Displaybauteilen zeigt diesen Trend deutlich. Dabei besteht für die industrielle Nutzung jedoch noch Forschungsbedarf. Diese Maßnahme wird mit Mitteln aus dem Europäischen Sozialfond gefördert und mitfinanziert durch Steuermittel auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.

Natriumseltenerdfluoride weisen optische und magnetische Eigenschaften auf, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. als Biomarker in bildgebenden Verfahren oder als Lasermaterial sehr interessant machen. Nanokristalline Partikel dieses Materials wurden angesichts ihrer interessanten optischen Eigenschaften in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht. Dabei ist die Herstellung monodisperser Nanopartikel ein zentraler Punkt der aktuellen Forschung, da gerade der Einsatz als Biomarker besonders einheitliche Partikel erfordert. Mehrere Synthesemethoden beschreiben die Bildung monodisperser Partikel, jedoch konnte die Ursache der besonders engen Partikelgrößenverteilung in diesen Fällen nicht aufgeklärt werden. Basierend auf einer Synthesemethode, bei der kleine aufgereinigte, d.h. monomerfreie kubische und hexagonale Partikel (Opferpartikel) als Edukt eingesetzt werden, wurde die Bildung monodisperser Nanopartikel von NaSmF4, NaEuF4, NaGdF4 und NaTbF4 untersucht. Dafür wurden kolloidale Lösungen der Opferpartikel auf 320°C erhitzt und die zeitliche Änderung der Partikelgröße und des Molenbruchs mittels Röntgenpulverdiffraktometrie nachverfolgt. Anhand der TEM-Aufnahmen konnte eine relative Fokussierung der Partikelgrößenverteilung während der Reaktion binärer Gemische aus kleinen kubischen und hexagonalen Partikeln beobachtet werden. Da kein weiteres Monomer der kolloidalen Lösung der Opferpartikel zugegeben wurde, war ein Wachstum der Partikel nur durch Ostwald-Reifung möglich. Entsprechend zeigten die Emissionsspektren der Nanopartikel, hergestellt aus einem Gemisch kleiner NaGdF4- und NaEuF4-Partikel, eine Durchmischung der Seltenerdionen, wie ebenfalls für Produktpartikel, die aus dotierten NaGdF4:Eu3+-Partikeln hergestellt wurden, beobachtet. Die Bildung monodisperser Partikel durch Ostwald-Reifung erfordert eine Monomerübersättigung. Die Experimente weisen daraufhin, dass die höhere Löslichkeit der thermodynamisch weniger stabilen kubischen α-Phase zu einer vergleichsweise hohen Monomerkonzentration während der Ostwald-Reifung führt. Diese Höhe der Monomerkonzentration stellt für die Partikel (Keime) der stabileren β-Phase eine Übersättigung an Monomeren dar. Der Löslichkeitsunterschied zwischen der α- und β-Phase bildet somit den Ursprung für die Bildung nahezu monodisperser NaSEF4-Nanopartikel.

In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene plasmonisch aktive Kern/Schale- Nanopartikel synthetisiert, experimentell und theoretisch charakterisiert und in analytischen Anwendungen der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. surface-enhanced Raman scattering, SERS) eingesetzt. Es werden die optischen Eigenschaften von Gold/Silber-Nanoschalen mit durchstimmbaren Plasmonbanden behandelt. Motivation dafür ist die Frage nach optimalen SERS-Markern für die rote Laseranregung (λ = 632.8 nm). In SERS-Anwendungen gibt es die Möglichkeit mehrere Marker-Moleküle auf die Oberfläche der Nanopartikel aufzubringen, um so eine erhöhte Multiplexing-Kapazität zu generieren. Diese Option der gemischten Monolagen wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Es werden SERS-Marker-Konzepte für die rote Laseranregung basierend auf einzelnen Nanopartikeln gezeigt. Außerdem wird dargestellt, inwieweit sich durch die Anordnung von Nanopartikeln in allen drei Raumdimensionen neue SERS-Marker- Konzepte mit sehr guten plasmonischen Eigenschaften realisieren lassen. In den oben beschriebenen Kapiteln übernehmen Nanopartikel die Rolle des SERS-Substrats für den selektiven Nachweis eines bestimmten Zielmoleküls (z.B. Antigens). Neben diesen Anwendungen können Nanopartikel jedoch auch noch als SERS-Substrat für die markierungsfreie Detektion von Analytmolekülen eingesetzt werden. In dieser Dissertation wird die Herstellung, Charakterisierung und der Einsatz eines integrierten SERS-Substrats für die kombinierte Festphasensynthese und Analytik mittels plamonisch aktiver Gold/Glas-Kern/Schale-Nanopartikel auf Harz-Mikrokugeln behandelt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anorganische, organische und biologische Makromoleküle und Nanomaterialen mit elektrochemischen und mikrogravimetrischen Methoden untersucht. Neue Peroxo-Zr(IV)/Hf(IV)-Polyoxometallate konnten erstmals elektrochemisch charakterisiert und ihr Potential als Oxidations- und Elektrokatalysatoren demonstriert werden. In cyclovoltammetrischen Messungen der Polyoxometallate (POMs) konnten die Peroxofunktionen anhand ihres irreversiblen Reduktionsstroms identifiziert werden, während die POM-Liganden den typischen reversiblen Strom ihrer W(VI/V)- Redoxsysteme zeigten. Die zugehörigen Ladungsmengen der kathodischen Halbreaktionen wurden mittels Coulometrie verifiziert. Die Sauerstofftransferaktivitäten der Peroxo-Zr/Hf-Polyoxometallate auf die Sulfid- bzw. Sulfoxidfunktion der organischen Modellsubstrate Methionin und Methioninoxid konnten mittels Cyclovoltammetrie und hydrodynamischer Voltammetrie mit einer rotierenden Scheibenelektrode über den abnehmenden kathodischen Stroms der Peroxofunktionen überwacht werden. Mittels CV- und UV/VIS-pH-Titrationen wurden zwei POM-Säurekonstanten ermittelt. Neue Preyssler-Polyoxometallat-Multilayer wurden nach dem Layer-by-Layer-Verfahren auf einer ITO-Quarzglasoberfläche adsorbiert und cyclovoltammetrisch charakterisiert. Es gelang der Herstellung der ersten Polyoxometallat-Viologendendrimer- und Polyoxometallat-Trimethylendipyridiniumdendrimer- Multilayer. In den Cyclovoltammogrammen der Multilayer fiel die Zuordnung der Wellen zu den einzelnen Redoxsystemen von Polyanion- und Polykationkomponente aufgrund von Überlagerung der Redoxsignale und deren starke gegenseitige Beeinflussung schwer. Mittels numerischer Integration konnten aus den Multilayer-Cyclovoltammogrammserien die geflossenen Ladungsmengen und Oberflächenbedeckungen berechnet werden. Ihr linearer Anstieg zeigt den linearen Stoffmengenzuwachs während der sukzessiven Adsorption der Polyanion-Polykation-Doppelschichten sowie die elektrochemische Zugänglichkeit aller Redoxzentren in den Mulitlayerverbundmaterialien. Die rekombinante Untereinheit C der VATPase wurde auf einer SAM-modifizierten Quarzkristallmikrowaage (QCM) spezifisch immobilisiert und mikrogravimetrisch detektiert. Die spezifische Bindung der Untereinheit C an die binäre Alkanthiolat-Matrix erfolgte über die Ni2+-komplexierte NTA-Funktion von Thiol 1, bei gleichzeitiger Unterdrückung der unspezifischen Proteinadsorption durch die Tetraethylenglykolfunktion von Thiol 2. Als Grund für die mit der QCM nicht nachweisbare biochemische Wechselwirkung von Untereinheit C und G-Aktin wurde eine sterische Blockade der Aktin-Bindungsstellen der auf der Matrixoberfläche immobilisierten Untereinheit C angenommen.

Nanopartikel auf Basis von NaYF4 erfreuen sich großer Beliebtheit durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Durch die Dotierung mit Ytterbium und Erbium im Wirtsgitter ist es beispielsweise möglich, niedrigenergetisches Infrarotlicht in höher-ergetisches, sichtbares Licht umzuwandeln. Zudem lässt sich NaYF4 auch im Nanometermaßstab präparieren, sodass ein Einsatz in Zellen oder lebenden Organismen möglich ist, wo die zur Anregung verwendete infrarote Strahlung ohne Probleme das Gewebe durchdringen kann. Zu Beginn dieser Arbeit zeigten aufwärtskonvertierende Nanomaterialien wie NaYF4 :Yb,Er jedoch auch nach Umhüllen mit einer inaktiven Schale aus undotiertem NaYF4 nur sehr geringe Lumineszenz-Quantenausbeuten und kurze Energieniveau-Lebenszeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Synthesemethode zur Herstellung von aufwärtskonvertierenden NaYF4 -Nanopartikeln durch den Einsatz neuer Eduktmaterialien modifiziert und die Auswirkung der Modifikationen auf die Partikeleigenschaften näher untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer alternativen Fluoridquelle (NaHF2) Partikel mit sehr engen Partikelgrößenverteilungen hergestellt werden können. Jedoch zeigte sich auch, dass die mit NaHF2 präparierten Partikel sich nicht mit einer Schale aus undotiertem NaYF4 umhüllen ließen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die Verbesserung der optischen Eigenschaften gelegt. Durch die Verwendung von getrockneten Lösungsmitteln und wasserfreien Seltenerdacetaten, sowie NH4F als Fluoridquelle gelang es erstmals, aufwärtskonvertierende Kern/Schale-Nanopartikel (<50 nm) mit einer sehr hohen Lumineszenz-Quantenausbeute, ähnlich dem des makrokristallinen Referenzmaterials, herzustellen. Auch bei sehr kleinen Kern/Schale-Partikeln (≤15 nm) konnten Quantenausbeuten erzielt werden, die nur um einen Faktor 3-4 niedriger sind als beim Referenzmaterial. Dabei zeigte sich durch die Messung der Energieniveau-Lebenszeiten, dass die größten Verlustprozesse durch die Yb3+ Emission bei 940 nm auftraten und diese durch aufbringen einer Schale unterbunden werden konnten.