TY  - THES
A1  - Bastian, Philipp U.
T1  - Core-shell upconversion nanoparticles - investigation of dopant intermixing and surface modification
T1  - Kern-Schale Aufkonvertierende Nanopartikel — eine Untersuchung der Dotandenvermischung und Oberflächenmodifikation
N2  - Frequency upconversion nanoparticles (UCNPs) are inorganic nanocrystals capable to up-convert incident photons of the near-infrared electromagnetic spectrum (NIR) into higher energy photons. These photons are re-emitted in the range of the visible (Vis) and even ultraviolet (UV) light. The frequency upconversion process (UC) is realized with nanocrystals doped with trivalent lanthanoid ions (Ln(III)). The Ln(III) ions provide the electronic (excited) states forming a ladder-like electronic structure for the Ln(III) electrons in the nanocrystals. The absorption of at least two low energy photons by the nanoparticle and the subsequent energy transfer to one Ln(III) ion leads to the promotion of one Ln(III) electron into higher excited electronic states. One high energy photon will be emitted during the radiative relaxation of the electron in the excited state back into the electronic ground state of the Ln(III) ion. The excited state electron is the result of the previous absorption of at least two low energy photons.
The UC process is very interesting in the biological/medical context. Biological samples (like organic tissue, blood, urine, and stool) absorb high-energy photons (UV and blue light) more strongly than low-energy photons (red and NIR light). Thanks to a naturally occurring optical window, NIR light can penetrate deeper than UV light into biological samples. Hence, UCNPs in bio-samples can be excited by NIR light. This possibility opens a pathway for in vitro as well as in vivo applications, like optical imaging by cell labeling or staining of specific organic tissue. Furthermore, early detection and diagnosis of diseases by predictive and diagnostic biomarkers can be realized with bio-recognition elements being labeled to the UCNPs. Additionally, "theranostic" becomes possible, in which the identification and the treatment of a disease are tackled simultaneously.
For this to succeed, certain parameters for the UCNPs must be met: high upconversion efficiency, high photoluminescence quantum yield, dispersibility, and dispersion stability in aqueous media, as well as availability of functional groups to introduce fast and easy bio-recognition elements. The UCNPs used in this work were prepared with a solvothermal decomposition synthesis yielding in particles with NaYF4 or NaGdF4 as host lattice. They have been doped with the Ln(III) ions Yb3+ and Er3+, which is only one possible upconversion pair. Their upconversion efficiency and photoluminescence quantum yield were improved by adding a passivating shell to reduce surface quenching.
However, the brightness of core-shell UCNPs stays behind the expectations compared to their bulk material (being at least μm-sized particles). The core-shell structures are not clearly separated from each other, which is a topic in literature. Instead, there is a transition layer between the core and the shell structure, which relates to the migration of the dopants within the host lattice during the synthesis. The ion migration has been examined by time-resolved laser spectroscopy and the interlanthanoid resonance energy transfer (LRET) in the two different host lattices from above. The results are
presented in two publications, which dealt with core-shell-shell structured nanoparticles. The core is doped with the LRET-acceptor (either Nd3+ or Pr3+). The intermediate shell serves as an insulation shell of pure host lattice material, whose shell thickness has been varied within one set of samples having the same composition, so that the spatial separation of LRET-acceptor and -donor changes. The outer shell with the same host lattice is doped with the LRET-donor (Eu3+). The effect of the increasing insulation shell thickness is significant, although the LRET cannot be suppressed completely.
Next to the Ln(III) migration within a host lattice, various phase transfer reactions were investigated in order to subsequently perform surface modifications for bioapplications. One result out of this research has been published using a promising ligand, that equips the UCNP with bio-modifiable groups and has good potential for bio-medical applications. This particular ligand mimics natural occurring mechanisms of mussel protein adhesion and of blood coagulation, which is why the UCNPs are encapsulated very effectively. At the same time, bio-functional groups are introduced. In a proof-of-concept, the encapsulated UCNP has been coupled successfully with a dye (which is representative for a biomarker) and the system’s photoluminescence properties have been investigated.
N2  - Frequenzaufkonvertierende Nanopartikel (UCNP) sind anorganische Nanokristalle. Sie können einfallende Photonen des nah-infraroten elektromagnetischen Spektrums (NIR) in höher energetische Photonen im Bereich des sichtbaren Lichtes und sogar des ultravioletten Lichtes (UV) umwandeln und wieder emittieren. Dieser Frequenzaufkonversionsprozess (UC) basiert auf Nanokristallen, die mit dreiwertigen Lanthanoid-Ionen (Ln(III)) dotiert sind. Die elektronisch angeregten Zustände der Ln(III)-Ionen stehen zur Verfügung, mit deren Hilfe Elektronen über eine leiterartige elektronische Struktur der elektronischen Zustände der Ln(III)-Ionen in höher angeregte Zustände gelangen können. Zuvor müssen mindestens zwei niederenergetische Photonen vom Nanopartikel absorbiert werden. Die absorbierte Energie muss über einen oder mehrere Energieübertragungen das gleiche Ln(III)-Ion erreichen um beim strahlenden Relaxieren des Elektrones im angeregten Zustand zurück in den elektronischen Grundzustand des Ln(III)-Ions ein höherenergetisches Photon zu emittieren.
Der Frequenzaufkonversionsprozess ist sehr interessant für die Anwendung im biologisch/medizinischen Bereich. Biologische Proben (z.B. organisches Gewebe, Blut, Urin und Stuhl) absorbieren höherenergetische Photonen (UV) stärker als niederenergetische Photonen (NIR). Dank eines natürlich vorkommenden optischen Fensters in biologischen Proben kann NIR-Licht tiefer als UV-Licht eindringen, sodass die UCNPs in biologischen Proben mit NIR-Licht angeregt werden können. Dies ermöglicht in vitro als auch in vivo Anwendungen, z.B. für die optische Bildgebung durch Markieren von Zellen oder durch Einfärben von bestimmten Bereichen organischer Gewebe. Frühzeitige Erkennung von Krankheiten kann durch prädiktive und diagnostisch geeignete Biomarker, die mit Erkennungselementen an den UCNPs detektiert werden, realisiert werden. Demnach ist „Theranostic“ ein mögliches Szenario, das die Identifikation und die gleichzeitige Behandlung einer Krankheit ermöglichen könnte.
Um diese Vision zu realisieren, müssen die UCNPs bestimmte Parameter erfüllen: Eine hohe Aufkonversionseffizienz, eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute, eine gute Dispergierbarkeit und Stabilität der Dispersion in wässrigen Medien, sowie die Verfügbarkeit von funktionellen Gruppen, um schnell und einfach biologische Erkennungselemente daran zu koppeln. Die UCNPs dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer solvothermalen Zersetzungsreaktion durchgeführt. Die Nanopartikel bestanden aus unterschiedlichen Wirtsgittern, entweder aus NaYF4 oder NaGdF4. Die Wirtsgitter wurden mit den Ln(III)-Ionen Yb3+ und Er3+ dotiert. Die Aufkonversionseffizienz, somit auch deren Quantenausbeute, konnte mit einer passivierenden Schale verbessert werden.
Dennoch leuchten die Kern-Schale-UCNPs schlechter als es im Vergleich mit μm-großen Partikeln zu erwarten wäre. Die Kern-Schale-Strukturen gehen ineinander über und sind nicht klar voneinander getrennt. Zwischen dem Kern und der Schale existiert eine Übergangsregion, die mit der Wanderung der Ionen des Wirtsgitters und den dotierten Ln(III)-Ionen einhergeht. Diese Beobachtung wird auch in der Literatur diskutiert. Die Ionenwanderung wurde mit Hilfe von zeitaufgelöster Laserspektroskopie und dem Interlanthanoidenergietransfer (LRET) in den beiden erwähnten Wirtsgittern untersucht. Die Ergebnisse sind in zwei Publikationen veröffentlicht, die auf Kern-Schale-Schale-Strukturen basieren. Der Kern ist mit dem LRET-Akzeptor dotiert (Nd3+ oder Pr3+). Die Zwischenschale besteht aus dem gleichen Wirtsgitter ohne Dotierstoffe und dient als Isolationsschale, deren Schalendicke innerhalb einer Experimentierreihe variiert wurde, um eine räumliche Trennung von LRET-Akzeptor und -Donor zu schaffen. Die äußere Schale, aus dem gleichen Wirtsgitter, ist mit dem LRET-donor (Eu3+) dotiert. Der Effekt der wachsenden Isolationsschalendicke ist signifikant. Aber es ist nicht möglich gewesen, den Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor komplett zu unterbinden.
Neben der Untersuchung der Wanderung von Ln(III)-Ionen in einem Wirtsgitter wurden verschiedene Phasentransferreaktionen durchgeführt, um anschließende Oberflächenmodifikationen anzuwenden, damit die Anwendungen der UCNPs im biologischen Kontext prinzipiell demonstriert werden kann. Ein Ergebnis mit einem sehr vielversprechenden Liganden für die bio-medizinische Anwendung wurde in einer Publikation veröffentlicht. Dieser Ligand imitiert natürliche Mechanismen von Muschelproteinen und von Blutkoagulation, sodass die untersuchten Nanopartikel sehr effektiv eingekapselt werden. Gleichzeitig sind funktionelle Gruppen zur Bio-Funktionalisierung vorhanden. In einer Machbarkeitsstudie wurde der eingekapselte UCNP erfolgreich mit einem Farbstoff (der durch einen Biomarker ersetzt werden kann) gekoppelt und die Photolumineszenzeigenschaften des Systems untersucht.
KW  - upconversion
KW  - Aufkonversion
KW  - Nanopartikel
KW  - nanoparticle
KW  - bio-modification
KW  - Biomodification
KW  - Ionenmigration
KW  - ion migration
KW  - surface modification
KW  - Oberflächenmodifizierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-551607
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TY  - THES
A1  - Stete, Felix
T1  - Gold at the nanoscale
BT  - plasmon-exciton coupling and optical heating
N2  - In this cumulative dissertation, I want to present my contributions to the field of plasmonic nanoparticle science. Plasmonic nanoparticles are characterised by resonances of the free electron gas around the spectral range of visible light. In recent years, they have evolved as promising components for light based nanocircuits, light harvesting, nanosensors, cancer therapies, and many more.

This work exhibits the articles I authored or co-authored in my time as PhD student at the University of Potsdam. The main focus lies on the coupling between localised plasmons and excitons in organic dyes. Plasmon–exciton coupling brings light–matter coupling to the nanoscale. This size reduction is accompanied by strong enhancements of the light field which can, among others, be utilised to enhance the spectroscopic footprint of molecules down to single molecule detection, improve the efficiency of solar cells, or establish lasing on the nanoscale. When the coupling exceeds all decay channels, the system enters the strong coupling regime. In this case, hybrid light–matter modes emerge utilisable as optical switches, in quantum networks, or as thresholdless lasers. The present work investigates plasmon–exciton coupling in gold–dye core–shell geometries and contains both fundamental insights and technical novelties. It presents a technique which reveals the anticrossing in coupled systems without manipulating the particles themselves. The method is used to investigate the relation between coupling strength and particle size. Additionally, the work demonstrates that pure extinction measurements can be insufficient when trying to assess the coupling regime. Moreover, the fundamental quantum electrodynamic effect of vacuum induced saturation is introduced. This effect causes the vacuum fluctuations to diminish the polarisability of molecules and has not yet been considered in the plasmonic context.

The work additionally discusses the reaction of gold nanoparticles to optical heating. Such knowledge is of great importance for all potential optical applications utilising plasmonic nanoparticles since optical excitation always generates heat. This heat can induce a change in the optical properties, but also mechanical changes up to melting can occur. Here, the change of spectra in coupled plasmon–exciton particles is discussed and explained with a precise model. Moreover, the work discusses the behaviour of gold nanotriangles exposed to optical heating. In a pump–probe measurement, X-ray probe pulses directly monitored the particles’ breathing modes. In another experiment, the triangles were exposed to cw laser radiation with varying intensities and illumination areas. X-ray diffraction directly measured the particles’ temperature. Particle melting was investigated with surface enhanced Raman spectroscopy and SEM imaging demonstrating that larger illumination areas can cause melting at lower intensities. An elaborate methodological and theoretical introduction precedes the articles. This way, also readers without specialist’s knowledge get a concise and detailed overview of the theory and methods used in the articles. I introduce localised plasmons in metal nanoparticles of different shapes. For this work, the plasmons were mostly coupled to excitons in J-aggregates. Therefore, I discuss these aggregates of organic dyes with sharp and intense resonances and establish an understanding of the coupling between the two systems. For ab initio simulations of the coupled systems, models for the systems’ permittivites are presented, too. Moreover, the route to the sample fabrication – the dye coating of gold nanoparticles, their subsequent deposition on substrates, and the covering with polyelectrolytes – is presented together with the measurement methods that were used for the articles.
N2  - In der vorliegenden publikationsbasierten Dissertation möchte ich meinen Beitrag aus meiner Zeit als Doktorand an der Universität Potsdam zum Forschungsgebiet plasmonischer Nanopartikel vorstellen. Letztere zeichnen sich durch Resonanzen des freien Elektronengases im Spektralbereich sichtbaren Lichts aus mit vielversprechenden Anwenungsgebieten, unter anderem in Bereichen der Nanosensorik, lichtbasierter Nanoschaltkreise oder auch der Krebstherapie.

Die Arbeit beinhaltet die von mir mitverfassten wissenschaftlichen Artikel, mit dem Hauptaugenmerk auf der Kopplung zwischen lokalisierten Plasmonen in Gold-Nanopartikeln und Exzitonen in organischen Farbstoffen. Plasmonen konzentrieren Lichtfelder auf kleinstem Raum. Dadurch verstärkt sich die Licht–Materie-Wechselwirkung, welche es etwa ermöglicht, die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen, die Spektren weniger bis einzelner Moleküle aufzunehmen oder auch Laser auf der Nanoskala zu entwickeln. Überschreitet die Wechselwirkung zwischen Plasmonen und Exzitonen alle anderen Dissipationskanäle, spricht man vom Regime der starken Kopplung. In diesem Regime entstehen neue untrennbare Licht–Materie-Hybridzustände aus denen ultraschnelle optische Schalter, Quantennetzwerke oder pumpschwellenfreie Laser konstruiert werden können. Die Artikel bieten dabei sowohl Erkenntnisse der Grundlageforschung als auch neue technische Verfahren. So wird unter anderem eine Methode zur Sichtbarmachung der vermiedenen Kreuzung gekoppelter Resonanzen vorgestellt, in der die Partikel selber nicht verändert werden. Die Technik wird hier beispielsweise verwendet, um den Zusammenhang zwischen Kopplungsstärke und Partikelgröße zu untersuchen. Zusätzlich zeigt die Arbeit, dass das alleinige Betrachten von Extinktionsspektren unzureichend für die Beurteilung des Kopplungsregimes sein kann. Desweiteren wird die Sättigung durch Vakuumfelder vorgestellt, ein Effekt der Quantenelektrodynamik, der im Zusammenhang mit Plasmonen bisher unbekannt war.

Die Reaktion von Gold-Nanopartikeln auf optische Erwärmung stellt den zweiten Themenbereich der Arbeit dar. Da durch optische Anregung grundsätzlich auch Wärme entsteht, ist die Kenntnis über diese Reaktion für alle Anwendungen plasmonischer Nanopartikel von Bedeutung. Zum einen wird hier die spektrale Änderung nach der Anregung gekoppelter Gold–Farbstoff-Partikel untersucht und quantitativ modelliert, zum anderen betrachtet die Arbeit Gold-Nanodreiecke bei optischer Anregung. In zeitaufgelösten Messungen wurde die Ausdehnung des Kristallgitters direkt mit Röntgen-Pulsen aufgenommen. Mit Hilfe von kontinuierlicher Röntgenstrahlung wurde außerdem die Temperatur der Teilchen bei konstanter Beleuchtung von Laserlicht gemessen, wobei die Größe der beleuchteten Fläche und die Lichtintensität variierten. Durch oberflächenverstärkte Raman-Spektren und REM-Bilder ließ sich indes das Schmelzen der Teilchen beobachten.

Den Artikeln steht eine ausführliche Einleitung voran, die eine detaillierte Übersicht sowohl über die theoretischen Grundlagen als auch über die experimentelle Methodik bietet. Sie führt lokalisierte Plasmonen auf unterschiedlich geformten Teilchen ein. Für diese Arbeit wurden die Teilchen mit J-Aggregaten ummantelt. Folglich werden diese speziellen Aggregate organischer Farbstoffe mit ihren intensiven und scharfen Resonanzen vorgestellt und die Kopplung ihrer Anregungen mit Plasmonen diskutiert. Für Ab-initio-Simulationen der gekoppelten Spektren werden Modelle für Permittivität der beiden Komponenten besprochen. Abschließend werden die Herstellung der Proben sowie alle in den Artikeln verwendeten Messmethoden eingeführt.
KW  - Nanoparticles
KW  - Plasmons
KW  - Light-Matter Coupling
KW  - Licht-Materie-Wechselwirkung
KW  - Nanopartikel
KW  - Plasmonen
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496055
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A1  - Kärgell, Martin
T1  - Layer formation from perovskite nanoparticles with tunable optical and electronic properties
N2  - Hybrid organic-inorganic perovskites have attracted attention in recent years, caused by the incomparable increase in efficiency in energy convergence, which implies the application as an absorber material for solar cells. A disadvantage of these materials is, among others, the instability to moisture and UV-radiation. One possible solution for these problems is the reduction of the size towards the nano world. With that nanosized perovskites are showing superior stability in comparison to e.g. perovskite layers. Additionally to this the nanosize even enables stable perovskite structures, which could not be achieved otherwise at
room temperature.

This thesis is separated into two major parts. The separation is done by the composition and the band gap of the material and at the same time the shape and size of the nanoparticles. Here the division is made by the methylammonium lead tribromide nanoplatelets and the caesium lead triiodide nanocubes.

The first part is focusing on the hybrid organic-inorganic perovskite (methylammonium lead tribromide) nanoplatelets with a band gap of 2.35 eV and their thermal behaviour. Due to the challenging character of this material, several analysis methods are used to investigate the sub nano and nanostructures under the influence of temperature. As a result, a shift of phase-transition temperatures towards higher temperatures is observed. This unusual behaviour can be explained by the ligand, which is incorporated in the perovskite outer structure and adds phase-stability into the system.

The second part of this thesis is focusing on the inorganic caesium lead triiodide nanocubes with a band gap of 1.83 eV. These nanocrystals are first investigated and compared by TEM, XRD and other optical methods. Within these methods, a cuboid and orthorhombic structure are revealed instead of the in literature described cubic shape and structure. Furthermore, these cuboids are investigated towards their self-assembly on a substrate. Here a high degree in self-assembly is shown. As a next step, the ligands of the nanocuboids are exchanged against other ligands to increase the charge carrier mobility. This is further investigated by the above-mentioned methods. The last section is dealing with the enhancement of the CsPbI3 structure, by incorporating potassium in the crystal structure. The results are suggesting here an increase in stability.
N2  - Hybrid organisch-anorganisch Perowskite zeigten sich in den letzten Jahren, durch ihren unvergleichbaren Anstieg an Effizienz in der Energiekonversion, als herausragendes Material für die Anwendung als Solarzellen Absorbermaterial. Ein Nachteil dieser Materialien ist allerdings unteranderem ihre Instabilität gegenüber Feuchtigkeit und UV-Strahlung. Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu meistern, bietet die Nanowelt. So zeigen Perowskitstrukturen in Nanogröße eine
dem Schichten überlegene Stabilität. Des Weiteren sind durch die Nanogröße auch Verbindungen bei Raumtemperatur stabil, die als Schicht oder Einkristall nicht darzustellen sind.

Diese Arbeit ist unterteilt in zwei Teile. Unterteilt nach Zusammensetzung, Bandlücke und Form der Nanopartikel, in Methylammonium Blei Tribromid Nanoplättchen und Cäsium Blei Triiodid Nanokuben.

Im ersten Teil werden hybrid organisch-anorganische Perowskite (Methylammonium Blei tribromid) Nanoplättchen mit einer Bandlücke von 2.35 eV auf ihr thermisches Verhalten untersucht. Aufgrund der herausfordernden Eigenschaften der Nanomaterialien, werden mehrere Analysemethoden verwendet und sowohl die Subnanostruktur als auch die Nanostruktur unter Veränderung der Temperatur beobachtet. Dabei wird ein Verschub der Phasenübergangstemperatur zu höheren Temperaturen beobachtet. Erklärt werden kann dieses ungewöhnliche Verhalten durch die Berücksichtigung des organischen Liganden der Nanoplättchen, welcher einen Einfluß auf den Phasenübergang hat.

Im zweiten Teil der Arbeit werden anorganische Perowskit (Cäsium Blei triodid) Nanokuben mit einer Bandlücke von 1.83 eV untersucht. Diese werden als Erstes mittels TEM, XRD und optischen Analysemethoden untersucht und verglichen. Als Resultat stellen sich die Kuben, als Quader einer orthorhombischen Phase heraus. Anschließend erfolgt eine Untersuchung der Selbstanordnung der Schichten auf einem Substrat, welche einen hohen Grad der Selbstanordnung zeigt. Um die Ladungsträgermobilität in den Schichten zu erhöhen, werden verschiedene Ligandenaustauschreaktionen durchgeführt und diese mittels der oben genannten Methoden untersucht. Dabei konnte ein Anstieg der Ladungsträgermobilität um das Sechsfache im Vergleich zur Literatur beobachtet werden. Im letzten Teil wird versucht die Stabilität der Nanokristalle, durch das Einbinden von Kalium in die Perowskitstruktur, zu erhöhen. Die hier vorliegenden Ergebnisse deuten eine Erhöhung der Stabilität an.
T2  - Schichtbildung von Perowskit Nanopartikeln mit einstellbaren optischen und elektronischen Eigenschaften
KW  - Perovskite
KW  - Nanoparticle
KW  - Quantumdots
KW  - Perowskit
KW  - Nanopartikel
KW  - Nanoplättchen
KW  - Quantenpunkte
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475667
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TY  - THES
A1  - Dai, Xiaolin
T1  - Synthesis of artificial building blocks for sortase-mediated ligation and their enzymatic linkage
T1  - Synthese von artifiziellen Bausteinen für Sortase-vermittelte Ligationen und deren enzymatische Verknüpfung
N2  - Das Enzym Sortase A katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Erkennungssequenz LPXTG und einem Oligoglycin. Während vielfältige Ligationen zwischen Proteinen und verschiedenen Biomolekülen, Proteinen und kleinen synthetischen Molekülen, sowie Proteinen und Oberflächen durchgeführt wurden, besteht das Ziel dieser Arbeit darin, die Sortase-katalysierte Verlinkung von synthetischen Bausteinen zu untersuchen. Dies könnte den Weg bereiten für die Anwendung von Sortase A für chemische Aufgabenstellungen und eventuell sogar in den Materialwissenschaften.
Für diese grundsätzliche Untersuchung wurden die verwendeten Bausteine zunächst so einfach wie möglich gehalten und leicht zugängliche SiO2 Nanopartikel und kommerziell erhältliche Polymerblöcke ausgewählt. Die Bausteine wurden als erstes mit den Peptidsequenzen für Sortase-vermittelte Ligationen funktionalisiert. SiO2 Nanopartikel wurden mit Durchmessern von 60 und 200 nm hergestellt und mit C=C Doppelbindungen oberflächenmodifiziert. Dann wurden Peptide mit einem terminalen Cystein kovalent durch eine Thiol-en Reaktion angebunden. An die 60 nm NP wurden Peptide mit einem Pentaglycin und an die 200 nm Partikel Peptide mit LPETG Sequenz gebunden. Auf die gleiche Art und Weise wurden Peptide mit terminalem Cystein an die Polymere Polyethylenglykol (PEG) und Poly(N Isopropylacrylamid) (PNIPAM), die beide über C=C Endgruppen verfügen, gebunden und G5-PEG und PNIPAM-LPETG Konjugate erhalten. Mit den vier Bausteinen wurden nun durch Sortase-vermittelte Ligation NP–Polymer Hybride, NP–NP und Polymer–Polymer Strukturen hergestellt und die Produkte u. a. durch Transmissionselektronen-mikroskopie, MALDI-ToF Massenspektrometrie sowie Dynamische Lichtstreuung charakterisiert. Die Verlinkung dieser synthetischen Bausteine konnte eindeutig gezeigt werden.
Das Verwenden von kommerziell erhältlichen Polymeren hat jedoch zu einem Gemisch der Polymer-Peptid Konjugate mit unmodifiziertem Polymer geführt, welches nicht gereinigt werden konnte. Deswegen wurden anschließend Synthesestrategien für reine Peptid-Polymer und Polymer-Peptid Konjugate als Bausteine für Sortase-vermittelte Ligationen entwickelt. Diese basieren auf der RAFT Polymerisation mit CTAs, die entweder an N- oder C-Terminus eines Peptids gebunden sind. GG-PNIPAM wurde durch das Anbinden eines geeigneten RAFT CTAs an Fmoc-GG in einer Veresterungsreaktion, Polymerisation von NIPAM und Abspalten der Fmoc Schutzgruppe synthetisiert. Weiterhin wurden mehrere Peptide durch Festphasen-Peptidsynthese erhalten. Die Anbindung eines RAFT CTAs (oder eines Polymerisationsinitiators) an den N-Terminus eines Peptids kann automatisiert als letzter Schritt in einem Peptid-Synthetisierer erfolgen. Die Synthese eines solchen Konjugats konnte in dem Zeithorizont dieser Arbeit noch nicht erreicht werden. Jedoch existieren mehrere vielversprechende Strategien, um diesen Ansatz mit verschiedenen Kopplungsreagenzien zur Anbindung des CTAs fortzusetzen. Solche Polymer Bausteine können in Zukunft für die Synthese von Protein-Polymer Konjugaten durch Sortase-Katalyse verwendet werden. Außerdem kann der Ansatz auch für die Synthese von Block-Copolymeren aus Polymerblöcken mit Peptidmotiven an beiden Enden ausgebaut werden.
Auch wenn bei der grundsätzlichen Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit Hybridstrukturen hergestellt wurden, die auch durch traditionelle chemische Synthesen erhalten werden könnten, wird ein Bausatz solcher Bausteine in Zukunft die Synthese neuer Materialien ermöglichen und kann auch den Weg für die Anwendung von Enzymen in den Materialwissenschaften ebnen. In Ergänzung zu Nanopartikeln und Block-Copolymeren können dann auch Hybridmaterialien unter Einbezug von Protein-basierten Bausteinen hergestellt werden. Daher könnten Sortase Enzyme zu einem Werkzeug werden, welches etablierte chemische Verlinkungstechniken ergänzt und mit den hoch spezifischen Peptidmotiven über funktionale Einheiten verfügt, die orthogonal zu allen chemischen Gruppen sind.
N2  - The enzyme Sortase A catalyzes the formation of a peptide bond between the recognition sequence LPXTG and an oligoglycine. While manifold ligations between proteins and various biomolecules, proteins and small synthetic molecules as well as proteins and surfaces have been reported, the aim of this thesis was to investigate the sortase-catalyzed linkage between artificial building blocks. Hence, this could pave the way for the use of sortase A for tasks from a chemical point of view and maybe even materials science.
For the proof of concept, the studied systems were kept as simple as possible at first by choosing easily accessible silica NPs and commercially available polymers. These building blocks were functionalized with peptide motifs for sortase-mediated ligation. Silica nanoparticles were synthesized with diameters of 60 and 200 nm and surface modified with C=C functionalities. Then, peptides bearing a terminal cysteine were covalently linked by means of a thiol-ene reaction. 60 nm SiO2 NPs were functionalized with pentaglycines, while peptides with LPETG motif were linked to 200 nm silica particles. Polyethyleneglycol (PEG) and poly(N isopropylacrylamide) (PNIPAM) were likewise functionalized with peptides by thiol-ene reaction between cysteine residues and C=C units in the polymer end groups. Hence, G5-PEG and PNIPAM-LPETG conjugates were obtained. With this set of building blocks, NP–polymer hybrids, NP–NP, and polymer–polymer structures were generated by sortase-mediated ligation and the product formation shown by transmission electron microscopy, MALDI-ToF mass spectrometry and dynamic light scatting, among others. Thus, the linkage of these artificial building blocks by the enzyme sortase A could be demonstrated.
However, when using commercially available polymers, the purification of the polymer–peptide conjugates was impossible and resulted in a mixture containing unmodified polymer. Therefore, strategies were developed for the own synthesis of pure peptide-polymer and polymer-peptide conjugates as building blocks for sortase-mediated ligation. The designed routes are based on preparing polymer blocks via RAFT polymerization from CTAs that are attached to N- or C-terminus, respectively, of a peptide. GG-PNIPAM was synthesized through attachment of a suitable RAFT CTA to Fmoc-GG in an esterification reaction, followed by polymerization of NIPAM and cleavage of the Fmoc protection group. Furthermore, several peptides were synthesized by solid-phase peptide synthesis. The linkage of a RAFT CTA (or  
polymerization initiator) to the N-terminus of a peptide can be conducted in an automated fashion as last step in a peptide synthesizer. The synthesis of such a conjugate couldn’t be realized in the time frame of this thesis, but many promising strategies exist to continue this strategy using different coupling reagents. Such polymer building blocks can be used to synthesize protein-polymer conjugates catalyzed by sortase A and the approach can be carried on to the synthesis of block copolymers by using polymer blocks with peptide motifs on both ends.
Although the proof of concept demonstrated in this thesis only shows examples that can be also synthesized by exclusively chemical techniques, a toolbox of such building blocks will enable the future formation of new materials and pave the way for the application of enzymes in materials science. In addition to nanoparticle systems and block copolymers, this also includes combination with protein-based building blocks to form hybrid materials. Hence, sortase could become an enzymatic tool that complements established chemical linking technologies and provides specific peptide motifs that are orthogonal to all existing chemical functional groups.
KW  - sortase-mediated ligation
KW  - enzyme
KW  - block copolymers
KW  - nanoparticles
KW  - Ligation
KW  - Enzym
KW  - Block-Copolymere
KW  - Nanopartikel
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420060
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TY  - THES
A1  - Abouserie, Ahed
T1  - Ionic liquid precursors for multicomponent inorganic nanomaterials
T1  - Ionische Flüssigkeiten als Vorstufe für anorganische Mehrkomponenten-Nanomaterialien
N2  - Health effects,  attributed to the environmental pollution resulted from using solvents such as benzene, are relatively unexplored among petroleum workers, personal use, and laboratory researchers. Solvents can cause various health problems, such as neurotoxicity, immunotoxicity, and carcinogenicity. As such it can be absorbed via epidermal or respiratory into the human body resulting in interacting with molecules that are responsible for biochemical and physiological processes of the brain. 
 Owing to the ever-growing demand for finding a solution, an Ionic liquid can use as an alternative solvent. Ionic liquids are salts in a liquid state at low temperature (below 100 C), or even at room temperature. Ionic liquids impart a unique architectural platform, which has been interesting because of their unusual properties that can be tuned by simple ways such as mixing two ionic liquids.
Ionic liquids not only used as reaction solvents but they became a key developing for novel applications based on their thermal stability, electric conductivity with very low vapor pressure in contrast to the conventional solvents.
In this study, ionic liquids were used as a solvent and reactant at the same time for the novel nanomaterials synthesis for different applications including solar cells, gas sensors, and water splitting. 
The field of ionic liquids continues to grow, and become one of the most important branches of science. It appears to be at a point where research and industry can work together in a new way of thinking for green chemistry and sustainable production.
N2  - Der Einfluss von kommerziellen organischen Lösungsmitteln auf den menschlichen Körper ist bekannt, jedoch nicht ausreichend untersucht worden. Spezielle Lösungsmittel wie Benzol, welche auch vermehrt in der Petrolchemie genutzt werden, zeigen akute Toxizität auf den biologischen Organismus. Daher ist der Bedarf der Verwendung eines alternativen Lösungsmittel groß. Ionische Flüssigkeiten können hier potentiell eine Alternative sein. Als Ionische Flüssigkeiten (ILs) werden Salze in flüssigem Zustand bei niedriger Temperatur (unter 100 °C) oder sogar bei Raumtemperatur definiert. Aufgrund ihrer Variabilität in der Zusammensetzung der strukturellen ionischen Moleküle ergeben sich ungewöhnliche Eigenschaften, welche auf einfachste Weise durch Mischen zweier ionischer Flüssigkeiten beliebig angepasst werden können. ILs werden sowohl als gewöhnliche Lösungsmittel verwendet, jedoch entwickelten sie sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften vermehrt zu Reaktionsagenzien. Dies ist zurückzuführen auf ihre gute thermische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und ihrem geringen Dampfdruck. 
In dieser Arbeit wurden nun spezielle Ionische Flüssigkeiten speziell auf ihr Verhalten in chemischen Reaktionen als Reagenz untersucht. Als Ausgangsreaktion diente hierbei eine neuartige Synthese von Nanomaterialen, welche speziell in Solarzellen, Gassensoren und auch in der katalytischen Wasserspaltung genutzt werden. Das Anwendungspotenzial der ILs gewinnt immer mehr an Bedeutung und führt in der Forschung sowie auch in der Industrie zu neuen Denkweisen für nachhaltige Produktionen und auch Entwicklungen.
KW  - ionic liquids
KW  - Alkylpyridinium salts
KW  - Structure elucidation
KW  - Phase transitions
KW  - Nanoparticles
KW  - Metal Chalcogenides
KW  - Organic photovoltaic Cell
KW  - Ionische Flüssigkeiten
KW  - Alkylpyridinium-Salze
KW  - Strukturaufklärung
KW  - Phasenübergänge
KW  - Nanopartikel
KW  - Metallchalkogenide
KW  - Organische Photovoltaikzelle
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418950
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TY  - THES
A1  - Mbaya Mani, Christian
T1  - Functional nanoporous carbon-based materials derived from oxocarbon-metal coordination complexes
T1  - Funktionale nanoporöse Kohlenstoffmaterialien auf Basis von Oxokohlenstoff-Metal Koordinationskomplexe
N2  - Nanoporous carbon based materials are of particular interest for both science and industry due to their exceptional properties such as a large surface area, high pore volume, high electroconductivity as well as high chemical and thermal stability. Benefiting from these advantageous properties, nanoporous carbons proved to be useful in various energy and environment related applications including energy storage and conversion, catalysis, gas sorption and separation technologies. The synthesis of nanoporous carbons classically involves thermal carbonization of the carbon precursors (e.g. phenolic resins, polyacrylonitrile, poly(vinyl alcohol) etc.) followed by an activation step and/or it makes use of classical hard or soft templates to obtain well-defined porous structures. However, these synthesis strategies are complicated and costly; and make use of hazardous chemicals, hindering their application for large-scale production. Furthermore, control over the carbon materials properties is challenging owing to the relatively unpredictable processes at the high carbonization temperatures.

In the present thesis, nanoporous carbon based materials are prepared by the direct heat treatment of crystalline precursor materials with pre-defined properties. This synthesis strategy does not require any additional carbon sources or classical hard- or soft templates. The highly stable and porous crystalline precursors are based on coordination compounds of the squarate and croconate ions with various divalent metal ions including Zn2+, Cu2+, Ni2+, and Co2+, respectively. Here, the structural properties of the crystals can be controlled by the choice of appropriate synthesis conditions such as the crystal aging temperature, the ligand/metal molar ratio, the metal ion, and the organic ligand system. In this context, the coordination of the squarate ions to Zn2+ yields porous 3D cube crystalline particles. The morphology of the cubes can be tuned from densely packed cubes with a smooth surface to cubes with intriguing micrometer-sized openings and voids which evolve on the centers of the low index faces as the crystal aging temperature is raised. By varying the molar ratio, the particle shape can be changed from truncated cubes to perfect cubes with right-angled edges.
These crystalline precursors can be easily transformed into the respective carbon based materials by heat treatment at elevated temperatures in a nitrogen atmosphere followed by a facile washing step. The resulting carbons are obtained in good yields and possess a hierarchical pore structure with well-organized and interconnected micro-, meso- and macropores. Moreover, high surface areas and large pore volumes of up to 1957 m2 g-1 and 2.31 cm3 g-1 are achieved, respectively, whereby the macroscopic structure of the precursors is preserved throughout the whole synthesis procedure. 

Owing to these advantageous properties, the resulting carbon based materials represent promising supercapacitor electrode materials for energy storage applications. This is exemplarily demonstrated by employing the 3D hierarchical porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds as electrode material showing a specific capacitance of 133 F g-1 in H2SO4 at a scan rate of 5 mV s-1 and retaining 67% of this specific capacitance when the scan rate is increased to 200 mV s-1. 
In a further application, the porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds are used as high surface area support material and decorated with nickel nanoparticles via an incipient wetness impregnation. The resulting composite material combines a high surface area, a hierarchical pore structure with high functionality and well-accessible pores. Moreover, owing to their regular micro-cube shape, they allow for a good packing of a fixed-bed flow reactor along with high column efficiency and a minimized pressure drop throughout the packed reactor. Therefore, the composite is employed as heterogeneous catalyst in the selective hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-dimethylfuran showing good catalytic performance and overcoming the conventional problem of column blocking.

Thinking about the rational design of 3D carbon geometries, the functions and properties of the resulting carbon-based materials can be further expanded by the rational introduction of heteroatoms (e.g. N, B, S, P, etc.) into the carbon structures in order to alter properties such as wettability, surface polarity as well as the electrochemical landscape. In this context, the use of crystalline materials based on oxocarbon-metal ion complexes can open a platform of highly functional materials for all processes that involve surface processes.
N2  - Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich u. a. durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften aus wie z. B. hohe Oberfläche, hohes Porenvolumen, hohe elektrische Leitfähigkeit und auch hohe chemische und thermische Stabilität. Aufgrund dessen finden sie Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen von der Speicherung elektrischer Energie bis hin zur Katalyse und Gasspeicherung. Die klassische Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien basiert u. a. auf der Nutzung von sogenannten anorganischen bzw. organischen Templaten und/oder chemischen Aktivierungsagenzien. Allerdings gelten diese Methoden eher als kompliziert, kostspielig und umweltschädlich. Außerdem wird eine gezielte Kontrolle der Produkteigenschaften durch die zahlreichen Prozesse erschwert, die sich bei den hohen Karbonisierungstemperaturen abspielen und folglich die Materialeigenschaften unvorhersehbar verändern können. 

In der vorliegenden Arbeit wird ein alternatives Konzept für die Synthese von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien mit gezielt einstellbaren Eigenschaften vorgestellt. Diese basiert auf der Nutzung von kristallinen Vorläufermaterialien, die aus der Koordination von den Anionen der Quadratsäure bzw. der Krokonsäure mit verschiedenen Metallionen (Zn2+, Cu2+, Ni2+ und Co2+) resultieren. Diese haben den Vorteil, dass Eigenschaften wie z. B. die Partikelmorphologie und Porosität gezielt durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter (z. B. Temperatur, molares Verhältnis, Metallion und Ligand) eingestellt werden können. Beispielsweise führen Koordinationskomplexe von der Quadratsäure mit Zn2+ in Wasser zu porösen 3D würfelförmigen Mikrokristallen, die durch einfache thermische Behandlung unter Schutzgasatmosphäre zu den entsprechenden Kompositen umgewandelt werden. Ein anschließender Waschschritt führt zu den entsprechenden Kohlenstoffmaterialien unter Erhalt der makroskopischen Struktur der kristallinen Vorläufermaterialien. In diesem Zusammenhang weisen die resultierenden Kohlenstoffe ebenfalls eine 3D Würfelform mit einer hierarchischen Porenstruktur bestehend aus vernetzten Mikro-, Meso- und Makroporen auf. Ferner besitzen die Kohlenstoffe hohe Oberflächen und Porenvolumen von bis zu 1.957 m2 g-1 bzw. 2,31 cm3 g-1.
Um die Vorteile dieser Eigenschaften zu demonstrieren, werden sie als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren getestet und zeigen dabei vielversprechende Kapazitäten. Außerdem, werden sie auch als Trägermaterial für die Immobilisierung von Nickel-Nanopartikel verwendet und als heterogene Katalysatoren in der selektiven Hydrierung von 5-hydroxymethylfurfural zu 2,5-dimethylfuran in einem Festbettreaktor eingesetzt. Dabei wird eine gute Katalysatorleistung (Produktivität) bei minimalem Druckabfall in der Reaktorsäule erreicht.
KW  - squaric acid
KW  - Quadratsäure
KW  - mesocrystals
KW  - Mesokristalle
KW  - nanoporöser Kohlenstoffpartikel
KW  - nanoporous carbon particles
KW  - Nanopartikel
KW  - nanoparticles
KW  - Koordinationskomplexe
KW  - coordination complexes
KW  - oxocarbon
KW  - Oxo-Kohlenstoff
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407866
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TY  - THES
A1  - Schulze, Nicole
T1  - Neue Templatphasen zur anisotropen Goldnanopartikelherstellung durch den Einsatz strukturbildender Polymere
T1  - New template phases for anisotropic gold nanoparticle production
through the use of structure-forming polymers
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von anisotropen Goldnanopartikeln in einer geeigneten Polyelektrolyt-modifizierten Templatphase. Der Mittelpunkt bildet dabei die Auswahl einer geeigneten Templatphase, zur Synthese von einheitlichen und reproduzierbaren anisotropen Goldnanopartikeln mit den daraus resultierenden besonderen Eigenschaften. Bei der Synthese der anisotropen Goldnanopartikeln lag der Fokus in der Verwendung von Vesikeln als Templatphase, wobei hier der Einfluss unterschiedlicher strukturbildender Polymere (stark alternierende Maleamid-Copolymere PalH, PalPh, PalPhCarb und PalPhBisCarb mit verschiedener Konformation) und Tenside (SDS, AOT – anionische Tenside) bei verschiedenen Synthese- und Abtrennungsbedingungen untersucht werden sollte.
Im ersten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass PalPhBisCarb bei einem pH-Wert von 9 die Bedingungen eines Röhrenbildners für eine morphologische Transformation von einer vesikulären Phase in eine röhrenförmige Netzwerkstruktur erfüllt und somit als Templatphase zur formgesteuerten Bildung von Nanopartikeln genutzt werden kann.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde dargelegt, dass die Templatphase PalPhBisCarb (pH-Wert von 9, Konzentration von 0,01 wt.%) mit AOT als Tensid und PL90G als Phospholipid (im Verhältnis 1:1) die effektivste Wahl einer Templatphase für die Bildung von anisotropen Strukturen in einem einstufigen Prozess darstellt. Bei einer konstanten Synthesetemperatur von 45 °C wurden die besten Ergebnisse bei einer Goldchloridkonzentration von 2 mM, einem Gold-Templat-Verhältnis von 3:1 und einer Synthesezeit von 30 Minuten erzielt. Ausbeute an anisotropen Strukturen lag bei 52 % (Anteil an dreieckigen Nanoplättchen von 19 %). Durch Erhöhung der Synthesetemperatur konnte die Ausbeute auf 56 % (29 %) erhöht werden. 
Im dritten Teil konnte durch zeitabhängige Untersuchungen gezeigt werden, dass bei Vorhandensein von PalPhBisCarb die Bildung der energetisch nicht bevorzugten Plättchen-Strukturen bei Raumtemperatur initiiert wird und bei 45 °C ein Optimum annimmt.  
Kintetische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Bildung dreieckiger Nanoplättchen bei schrittweiser Zugabe der Goldchlorid-Präkursorlösung zur PalPhBisCarb enthaltenden Templatphase durch die Dosierrate der vesikulären Templatphase gesteuert werden kann. In umgekehrter Weise findet bei Zugabe der Templatphase zur Goldchlorid-Präkursorlösung bei 45 °C ein ähnlicher, kinetisch gesteuerter Prozess der Bildung von Nanodreiecken statt mit einer maximalen Ausbeute dreieckigen Nanoplättchen von 29 %. 
Im letzten Kapitel erfolgten erste Versuche zur Abtrennung dreieckiger Nanoplättchen von den übrigen Geometrien der gemischten Nanopartikellösung mittels tensidinduzierter Verarmungsfällung. Bei Verwendung von AOT mit einer Konzentration von 0,015 M wurde eine Ausbeute an Nanoplättchen von 99 %, wovon 72 % dreieckiger Geometrien hatten, erreicht.
N2  - The aim of the present work was the synthesis and characterization of anisotropic gold nanoparticles in a suitable polyelectrolyte-modified template phase. The focus was on the selection of a suitable template phase for the synthesis of uniform and reproducible anisotropic gold nanoparticles with the resulting special properties. In the synthesis of the anisotropic gold nanoparticles, the focus was on the use of vesicles as a template phase. Here, the influence of different structure-forming polymers (strongly alternating maleimide copolymers PalH, PalPh, PalPhCarb and PalPhBisCarb with different conformations) and surfactants (SDS, AOT - anionic surfactants) should be studied at various synthesis and separation conditions.
In the first part of the work, it could be shown that PalPhBisCarb at pH 9 meets the requirements of a tubulating agent for a morphological transformation of a vesicular phase into a tubular network structure and thus can be used as a template phase for the shape-controlled formation of nanoparticles.
In the second part of the work, it was shown that the template phase PalPhBisCarb (pH value of 9, concentration of 0.01 wt.%) with AOT as surfactant and PL90G as phospholipid (in the ratio 1:1) is the most effective choice of template phase for the formation of anisotropic structures in a one-step process. At a constant synthesis temperature of 45 °C, the best results were achieved with a gold chloride concentration of 2 mM, a gold-template ratio of 3:1 and a synthesis time of 30 minutes. The yield of anisotropic structures was 52% (triangular nanoplatelet content of 19%). By increasing the synthesis temperature, the yield could be increased to 56% (29%).
In the third part, it was shown by time-dependent investigations that in the presence of PalPhBisCarb, the formation of the not energetically preferred platelet structures is initiated at room temperature and assumes an optimum at 45 °C.
Kinetical studies have shown that the formation of triangular nanosheets can be controlled by the dosing rate of the vesicular template phase when the gold chloride precursor solution is gradually added to the PalPhBisCarb-containing template phase. Conversely, upon addition of the template phase to the gold chloride precursor solution at 45 °C, a similar, kinetically controlled process of formation of nanodimers takes place with a maximum yield of triangular nanoplatelets of 29%.
In the last chapter, initial attempts were made to separate triangular nanoplatelets from the other geometries of the mixed nanoparticle solution by means of surfactant-induced depletion flocculation. When AOT was used at a concentration of 0.015 M, a yield of nanoplatelets of 99%, of which 72% had triangular geometries, was achieved.
KW  - Nanopartikel
KW  - nanoparticle
KW  - Templatphase
KW  - template phase
KW  - Gold
KW  - gold
KW  - anisotrop
KW  - anisotropic
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409515
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TY  - THES
A1  - Schürmann, Robin Mathis
T1  - Interaction of the potential DNA-radiosensitizer 8-bromoadenine with free and plasmonically generated electrons
T1  - Wechselwikung des potentiellen DNA-Radiosensibilisators 8-Bromoadenin mit freien und plasmonisch erzeugten Elektronen
N2  - In Germany more than 200.000 persons die of cancer every year, which makes it the second most common cause of death. Chemotherapy and radiation therapy are often combined to exploit a supra-additive effect, as some chemotherapeutic agents like halogenated nucleobases sensitize the cancerous tissue to radiation. The radiosensitizing action of certain therapeutic agents can be at least partly assigned to their interaction with secondary low energy electrons (LEEs) that are generated along the track of the ionizing radiation. In the therapy of cancer DNA is an important target, as severe DNA damage like double strand breaks induce the cell death. As there is only a limited number of radiosensitizing agents in clinical practice, which are often strongly cytotoxic, it would be beneficial to get a deeper understanding of the interaction of less toxic potential radiosensitizers with secondary reactive species like LEEs. Beyond that LEEs can be generated by laser illuminated nanoparticles that are applied in photothermal therapy (PTT) of cancer, which is an attempt to treat cancer by an increase of temperature in the cells. However, the application of halogenated nucleobases in PTT has not been taken into account so far. In this thesis the interaction of the potential radiosensitizer 8-bromoadenine (8BrA) with LEEs was studied. In a first step the dissociative electron attachment (DEA) in the gas phase was studied in a crossed electron-molecular beam setup. The main fragmentation pathway was revealed as the cleavage of the C-Br bond. The formation of a stable parent anion was observed for electron energies around 0 eV. Furthermore, DNA origami nanostructures were used as platformed to determine electron induced strand break cross sections of 8BrA sensitized oligonucleotides and the corresponding nonsensitized sequence as a function of the electron energy. In this way the influence of the DEA resonances observed for the free molecules on the DNA strand breaks was examined. As the surrounding medium influences the DEA, pulsed laser illuminated gold nanoparticles (AuNPs) were used as a nanoscale electron source in an aqueous environment. The dissociation of brominated and native nucleobases was tracked with UV-Vis absorption spectroscopy and the generated fragments were identified with surface enhanced Raman scattering (SERS). Beside the electron induced damage, nucleobase analogues are decomposed in the vicinity of the laser illuminatednanoparticles due to the high temperatures. In order to get a deeper understanding of the different dissociation mechanisms, the thermal decomposition of the nucleobases in these systems was studied and the influence of the adsorption kinetics of the molecules was elucidated. In addition to the pulsed laser experiments, a dissociative electron transfer from plasmonically generated ”hot electrons” to 8BrA was observed under low energy continuous wave laser illumination and tracked with SERS. The reaction was studied on AgNPs and AuNPs as a function of the laser intensity and wavelength. On dried samples the dissociation of the molecule was described by fractal like kinetics. In solution, the dissociative electron transfer was observed as well. It turned out that the timescale of the reaction rates were slightly below typical integration times of Raman spectra. In consequence such reactions need to be taken into account in the interpretation of SERS spectra of electrophilic molecules. The findings in this thesis help to understand the interaction of brominated nucleobases with plasmonically generated electrons and free electrons. This might help to evaluate the potential radiosensitizing action of such molecules in cancer radiation therapy and PTT.
N2  - Mit deutschlandweit über 200.000 Todesfällen pro Jahr ist Krebs die zweithäufigste Todesursache. In der Krebstherapie werden häufig Strahlenund Chemotherapie kombiniert, da das Krebsgewebe durch die Gabe bestimmter Chemotherapeutika, z.B. halogenierte Nukleinbasen, gegenüber ionisierender Strahlung sensibilisiert wird. Die Wirkung dieser sogenannten Radiosensibilatoren lässt sich zumindest teilweise auf ihre Wechselwirkung mit niederenergetischen Elektronen zurückführen, welche in hoher Zahl entlang der Trajektorie hochenergetischer Teilchen oder Photonen erzeugt werden. In der Krebstherapie ist die DNA ein wichtiger Angriffspunkt, da schwere DNA-Schäden wie Doppelstrangbrüche zum Zelltod führen können. In der klinischen Praxis ist die Anzahl der eingesetzten meist zytotoxischen Radiosensibilisatoren relativ begrenzt. Zur Verbesserung der bestehenden Therapien durch den Einsatz von Medikamenten mit geringeren Nebenwirkungen, ist es notwendig die Wechselwirkungen zwischen potentiellen Radiosensibilisatoren und reaktiven Sekundärteilchen wie niederenergetischen Elektronen besser zu verstehen. Neben der Strahlentherapie werden niederenergetische Elektronen auch durch Laserbestrahlung von plasmonischen Nanopartikeln erzeugt, welche in der Photothermaltherapie (PTT) Anwendung finden. Die mögliche Anwendung von halogenierten Nukleinbasen zur Verbesserung der Photothermaltherapie ist jedoch bisher noch nicht in Erwägung gezogen worden. Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation wird die Wechselwirkung des potentiellen Radiosensibilisators 8-Bromoadenin (8BrA) mit niederenergetischen Elektronen untersucht. Unter Verwendung eines gekreuzten Molekül-Elektronenstrahls wurde in einem ersten Schritt die dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) an 8BrA untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Hauptzerfallskanal in dem Aufbrechen der C-Br Bindung besteht. Darüberhinausgehend wurde bei der Anlagerung von Elektronen mit einer Energie von 0 eV ein stabiles 8BrA Anion beobachtet. Um den Einfluss der DEA-Resonanzen, die für freie Moleküle in der Gasphase beobachtet wurden, auf die elektroneninduzierten DNA-Strangbrüche zu untersuchen wurden DNA- Origami-Nanostrukturen mit Elektronen bestrahlt. Die DNAOrigami-Strukturen wurden sowohl mit 8BrA modifizierten Oligonukleotiden und der nicht modifizierten Kontrollsequenz bestückt und die Strangbruch Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit von der Elektronenenergie bestimmt. DEA-Prozesse hängen stark von dem umgebenden Medium ab. Aus diesem Grund wurden laserbestrahlte Gold-Nanopartikel (AuNPs) als Elektronenquellen auf der Nanoebene verwendet. Der Zerfall von bromierten und unmodifizierten Nukleinbasen wurde mit UV-Vis-Absorptions-Spektroskopie verfolgt, während die Identifizierung der entstandenen Fragmente über Oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erfolgte. Neben dem elektroneninduzierten Schaden, werden die Nukleinbasen in der Umgebung der AuNPs durch die hohen Temperaturen auch thermisch zersetzt. Um diese verschiedenen Prozesse auseinander halten zu können, wurde die thermische Zersetzung auf den laserbestrahlten AuNPs detailliert untersucht und der Einfluss der Adsorptionskinetik herausgearbeitet. Elektroneninduzierte Reaktionen auf Nanopartikeln finden nicht nur bei Bestrahlung mit intensiven Laser-Pulsen statt. Ein dissoziativer Elektronentransfer auf 8BrA, der zum Aufbrechen der C-Br Bindung führt, konnte ebenfalls während der Bestrahlung mit einem kontinuierlichen Laser geringer Intensität mit SERS beobachtet werden. Mit Hilfe von fraktaler Kinetik konnten dabei die Reaktionen auf getrockneten Proben beschrieben werden. Auf diese Art wurde die Reaktion sowohl auf AuNPs als auch auf AgNPs als Funktion der Laserintensität und -Wellenlänge untersucht. Ebenfalls in Lösung konnte das Auftrennen der C-Br Bindung beobachtet werden, wobei die Zeitskalen der Reaktion ein wenig kürzer als die typischen Integrationszeiten bei Ramanmessungen waren. Aus diesem Grund müssen Dissoziative-ElektronenTransfer- Reaktionen bei der Interpretation von SERS Spektren mit in Betracht gezogen werden. Die Ergebnisse dieser kumulativen Doktorarbeit fördern das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen bromierten Nukleinbasen mit freien und plasmonisch erzeugten Elektronen. Dies könnte dabei helfen das Potential von 8BrA als möglicher Radiosensibilisator besser beurteilen zu können.
KW  - DNA damage
KW  - Radiosensitization
KW  - dissociative electron attachment
KW  - nanoparticles
KW  - plasmonic catalysis
KW  - DNA-Schädigung
KW  - dissoziative Elektronen Anlagerung
KW  - Nanopartikel
KW  - plasmonische Katalyse
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407017
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TY  - THES
A1  - Klier, Dennis Tobias
T1  - Upconversion luminescence in Er-codoped NaYF4 nanoparticles
T1  - Frequenzaufkonversion in Er-codotierten NaYF4 Nanopartikeln
BT  - fundamental photophysics and optimization for life science applications
BT  - fundamentale Photophysik und Optimierung für Anwendungen in den Lebenswissenschaften
N2  - In the context of an increasing population of aging people and a shift of medical paradigm towards an individualized medicine in health care, nanostructured lanthanides doped sodium yttrium fluoride (NaYF4) represents an exciting class of upconversion nanomaterials (UCNM) which are suitable to bring forward developments in biomedicine and -biodetection. Despite the fact that among various fluoride based upconversion (UC) phosphors lanthanide doped NaYF4 is one of the most studied upconversion nanomaterial, many open questions are still remaining concerning the interplay of the population routes of sensitizer and activator electronic states involved in different luminescence upconversion photophysics as well as the role of phonon coupling. The collective work aims to explore a detailed understanding of the upconversion mechanism in nanoscaled NaYF4 based materials co-doped with several lanthanides, e.g. Yb3+ and Er3+ as the "standard" type upconversion nanoparticles (UCNP) up to advanced UCNP with Gd3+ and Nd3+. Especially the impact of the crystal lattice structure as well as the resulting lattice phonons on the upconversion luminescence was investigated in detail based on different mixtures of cubic and hexagonal NaYF4 nanoscaled crystals. Three synthesis methods, depending on the attempt of the respective central spectroscopic questions, could be accomplished in the following work. NaYF4 based upconversion nanoparticles doped with several combination of lanthanides (Yb3+, Er3+, Gd3+ and Nd3+) were synthesized successfully using a hydrothermal synthesis method under mild conditions as well as a co-precipitation and a high temperature co-precipitation technique. Structural information were gathered by means of X-ray diffraction (XRD), electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), Raman spectroscopy and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES). The results were discussed in detail with relation to the spectroscopic results. A variable spectroscopic setup was developed for multi parameter upconversion luminescence studies at various temperature 4 K to 328 K. Especially, the study of the thermal behavior of upconversion luminescence as well as time resolved area normalized emission spectra were a prerequisite for the detailed understanding of intramolecular deactivation processes, structural changes upon annealing or Gd3+ concentration, and the role of phonon coupling for the upconversion efficiency. Subsequently it became possible to synthesize UCNP with tailored upconversion luminescence properties. In the end, the potential of UCNP for life science application should be enunciated in context of current needs and improvements of a nanomaterial based optical sensors, whereas the "standard" UCNP design was attuned according to the special conditions in the biological matrix. In terms of a better biocompatibility due to a lower impact on biological tissue and higher penetrability for the excitation light. The first step into this direction was to use Nd3+ ions as a new sensitizer in tridoped NaYF4 based UCNP, whereas the achieved absolute and relative temperature sensitivity is comparable to other types of local temperature sensors in the literature.
N2  - Ziel der Arbeit war es ein erweitertes Verständnis des Mechanismus der Lichtaufkonversion, sowie dessen gezielte Manipulation in verschiedenen Nanomaterialien auf Natriumyttrium-fluoridbasis zu erlangen. Die optischen Eigenschaften werden dabei durch eine gezielte Zusammenstellung verschiedener Lanthanoidionen hervorgerufen, welche während der Synthese in die Materialien eingebracht werden. Der Fokus lag hierbei in der Aufklärung des Zusammenspiels zwischen der Struktur der Materialien und deren Lichtaufkonver-sionsvermögen sowie dem Erlangen eines generellen Verständnisses der einzelnen Teilschritte des Lichtaufkonversionsmechanismus. Dabei wird das Licht, welches nach Anregung der Lanthanoidionen durch einen Laser von diesen emittiert wird, hinsichtlich der Farbzusammensetzung und des Abklingverhaltens der Lumineszenz untersucht. Diese Erkenntnisse geben sowohl einen Einblick in die verschiedenen Teilschritte des Lichtaufkonversionsmechanismus, als auch deren Korrelation zur Struktur der Nanomaterialien. Während der Arbeit wurde ein variabler Messplatz mit einer wellenlängendurchstimmbaren Anregungslichtquelle, einer Detektionseinheit mit hervorragender spektraler und zeitlicher Auflösung für die Messung des emittierten Lichtes sowie einer Temperiereinheit, mit der die Proben in einem Temperaturbereich von 4 Kelvin (-269,15 °C) bis 328 Kelvin (50 °C) temperiert werden können, aufgebaut. Die Proben wurden mithilfe der modernen Kopräzipitations- und Hydrothermalsynthese in verschiedenen Zusammensetzungen und Oberflächenmodifizierungen hergestellt, um sowohl Partikel für fundamentale Untersuchungen der Lichtaufkonversion verfügbar zu haben, als auch den hohen Anforderungen für Anwendungen in den Lebenswissenschaften gerecht zu werden. Die Reaktion fand bei hohen Temperaturen (160 °C bis 320 °C) unter Schutzgasatmosphäre statt und gewährleistete so die Bildung von hochkristallinen Partikeln, deren Größe stark mit der Synthesetemperatur korreliert. Mithilfe von zeitaufgelösten Lumineszenzuntersuchungen gelang ein sehr detaillierter Einblick in strukturelle Veränderungen der Nanopartikeln, welche durch klassische strukturanalytische Methoden, wie der Röntgenpulverdiffraktometrie, nicht in dem Maße möglich sind. Zudem konnte ein erheblicher Teil dazu beigetragen werden, das komplexe Zusammenspiel von Energietransportmechanismen, Gitterschwingungen und thermisch induzierten Prozessen zu verstehen. Zuletzt wurden, basierend auf der Vielzahl an gewonnenen Erkenntnissen, speziell designte Nanopartikel hergestellt. Die Farbe des Emissionslichts dieser Partikel wies dabei eine hohe Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur auf. Auftretende Herausforderungen induziert durch das verwendete Anregungslicht im Nahinfrarotenbereich, wie das Aufheizen oder die zu hohe Absorption der Probe, wurden durch die Erweiterung des Aufkonversionssystems gelöst. Damit konnten beste Voraussetzungen für potentielle Anwendungen, wie zum Beispiel als Nanothermometer geschaffen werden.
KW  - Nanopartikel
KW  - nanoparticle
KW  - Frequenzaufkonversion
KW  - upconversion
KW  - Lanthanoide
KW  - lanthanides
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98486
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TY  - THES
A1  - Olszewska, Agata
T1  - Forming magnetic chain with the help of biological organisms
T1  - Die Bildung magnetischer Kettenstrukturen mit Hilfe biologischer Organismen
N2  - Magnetite nanoparticles and their assembly comprise a new area of development for new technologies. The magnetic particles can interact and assemble in chains or networks. Magnetotactic bacteria are one of the most interesting microorganisms, in which the assembly of nanoparticles occurs. These microorganisms are a heterogeneous group of gram negative prokaryotes, which all show the production of special magnetic organelles called magnetosomes, consisting of a magnetic nanoparticle, either magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4), embedded in a membrane. The chain is assembled along an actin-like scaffold made of MamK protein, which makes the magnetosomes to arrange in mechanically stable chains. The chains work as a compass needle in order to allow cells to orient and swim along the magnetic field of the Earth.
The formation of magnetosomes is known to be controlled at the molecular level. The physico–chemical conditions of the surrounding environment also influence biomineralization. The work presented in this manuscript aims to understand how such external conditions, in particular the extracellular oxidation reduction potential (ORP) influence magnetite formation in the strain Magnetospirillum magneticum AMB-1. A controlled cultivation of the microorganism was developed in a bioreactor and the formation of magnetosomes was characterized.
Different techniques have been applied in order to characterize the amount of iron taken up by the bacteria and in consequence the size of magnetosomes produced at different ORP conditions. By comparison of iron uptake, morphology of bacteria, size and amount of magnetosomes per cell at different ORP, the formation of magnetosomes was inhibited at ORP 0 mV, whereas reduced conditions, ORP – 500 mV facilitate biomineralization process.
Self-assembly of magnetosomes occurring in magnetotactic bacteria became an inspiration to learn from nature and to construct nanoparticles assemblies by using the bacteriophage M13 as a template. The M13 bacteriophage is an 800 nm long filament with encapsulated single-stranded DNA that has been recently used as a scaffold for nanoparticle assembly. I constructed two types of assemblies based on bacteriophages and magnetic nanoparticles. A chain – like assembly was first formed where magnetite nanoparticles are attached along the phage filament. A sperm – like construct was also built with a magnetic head and a tail formed by phage filament.
The controlled assembly of magnetite nanoparticles on the phage template was possible due to two different mechanism of nanoparticle assembly. The first one was based on the electrostatic interactions between positively charged polyethylenimine coated magnetite nanoparticles and negatively charged phages. The second phage –nanoparticle assembly was achieved by bioengineered recognition sites. A mCherry protein is displayed on the phage and is was used as a linker to a red binding nanobody (RBP) that is fused to the one of the proteins surrounding the magnetite crystal of a magnetosome.
Both assemblies were actuated in water by an external magnetic field showing their swimming behavior and potentially enabling further usage of such structures for medical applications. The speed of the phage - nanoparticles assemblies are relatively slow when compared to those of microswimmers previously published. However, only the largest phage-magnetite assemblies could be imaged and it is therefore still unclear how fast these structures can be in their smaller version.
N2  - Magnetit-Nanopartikel (Fe3O4) und deren Anordnungen umfassen einen neuen Bereich in der Entwicklung neuer Technologien. Diese magnetischen Teilcheninteragieren miteinander und unter bestimmten Umständen lassen sie sich in Ketten anordnen. Magnetotaktische Bakterien stellen eine Gruppeinteressanter Mikroorganismen dar, in welchen ebendiese kettenförmige Anordnung von Nanopartikeln vorkommt. Diese Mikroorgansimen gehören zu einer heterogenen Gruppe an Gram negativen Prokaryoten, welche die Produktion von speziellen magnetischen Organellen, den sogenannten Magnetosomen, aufweist. Die Magnetosomen bestehen entweder aus Magnetit- oder Greigit (Fe3S4)- Nanopartikeln, welche in einer Membran eingebettet sind. Die Kette ist entlang eines Aktin ähnlichen Gerüstes angeordnet, welches aus dem Protein MamK besteht und dafür verantwortlich ist, dass sich die Magnetosomen in mechanisch stabilen Ketten arrangieren können. Diese Ketten fungieren als Kompass Nadeln und ermöglichen es den Zellen sich entlang des Magnetfeldes der Erde zuorientieren.
Es ist bekannt, dass die Bildung der Magnetosomen auf molekularer Ebene kontrolliert wird. Die physiko-chemischen Bedingungen der direkten Umgebung beeinflussen die Biomineralisierung. Die in diesem Manuskript vorgestellte Arbeit setzt sich zum Ziel, die äußeren Bedingungen, im Speziellen der Einfluss des extrazellulären Oxidations- und Reduktions-Potentials (ORP) auf die Magnetit Bildung im Bakterienstamm Magnetospirillum magneticum AMB-1 besser zu verstehen. Eine kontrollierte Anzucht des Mikroorganismus wurde im Bioreaktor entwickelt und die Magnetosomenbildung wurden charakterisiert.
Unter verschiedenen ORP-Bedingungen wurde untersucht, wieviel Eisen von den Bakterien aufgenommen wird und welche Auswirkungen das auf die Zahl und Größe der Magnetosomen hat. Untersucht man die Parameter Eisenaufnahme, Morphologie der Bakterien, Größe und Menge der Magnetosomen pro Zelle kommt man zu dem Schluss, dass die Magnetosomenbildung bei einem ORP von 0 mV inhibiert wird, wobei reduzierende Bedingungen bei einem ORP von -500 mV den Biomineralisationsprozess fördern.
Inspiriert von der Fähigkeit der Selbstorganisation von Magnetosomen in MTB wurde versucht Nanopartikel-Anordnungen mit Hilfe des Bakteriophagen M13 als Vorlage zu konstruieren. Der Bakteriophage M13 ist ein 800 nm langes Filament mit eingekapselter einzelsträngiger DNA und wurde schon zuvor als Gerüst für Nanopartikel-Konstrukte verwendet. Ich habe zwei Typen von Anordnungen basierend auf Bakteriophagen und magnetischen Nanopartikeln konstruiert. Es wurde eine kettenartige Struktur, an der magnetische Nanopartikel entlang eines Phagenfilamentes angebracht sind und ein spermienähnliches Konstrukt mit einem magnetischen Kopf und einem Phagenfilament als Schwanz, entwickelt.
Um eine kontrollierte Anordnung von Magnetit-Nanopartikeln an den Phagen zu ermöglichen, wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Der erste basierte auf elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den mit positiv geladenem Polyethylenimin dekorierten Magnetit-Nanopartikeln und den negativ geladenen Phagen. Das zweite Phagen-Nanopartikel-Konstrukt wurde mit Hilfe von biologisch veränderten Erkennungsseiten hergestellt. Die Phagen weisen ein mCherry Protein auf, welches als Verbindungsstück für den red binding nanobody (RBP) verwendet wurde. Dieser wurde mit einem der Proteine fusioniert, welches die Magnetit Kristalle der Magnetosomen umhüllt.
Beide Konstrukte wurden mit Hilfe eines externen Magnetfeldes im Wasser angeregt, wobei sich ihr Schwimmverhalten und das Potential für medizinische Anwendungen dieser Strukturen zeigten. Die Geschwindigkeit der Phagen-Nanopartikel-Konstrukte war im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Mikroschwimmern relativ langsam. Es konnten jedoch nur die größten Phagen-Magnetit-Konstrukte visualisiert werden, wodurch die Geschwindigkeit der kleineren Versionen dieser Strukturen noch unklar bleibt.
KW  - nanoparticles
KW  - phages
KW  - nanoparticles assembly
KW  - magnetotactic bacteria
KW  - Nanopartikel
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - magnetite Ketter
KW  - Bakteriophagen
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89767
ER  -