TY - JOUR A1 - Ast, Sandra A1 - Schwarze, Thomas A1 - Müller, Holger A1 - Sukhanov, Aleksey A1 - Michaelis, Stefanie A1 - Wegener, Joachim A1 - Wolfbeis, Otto S. A1 - Körzdörfer, Thomas A1 - Dürkop, Axel A1 - Holdt, Hans-Jürgen T1 - A highly K+-Selective Phenylaza-[18]crown-6-Lariat-Ether-Based Fluoroionophore and its application in the sensing of K+ Ions with an optical sensor film and in cells JF - Chemistry - a European journal N2 - Herein, we report the synthesis of two phenylaza-[18]crown-6 lariat ethers with a coumarin fluorophore (1 and 2) and we reveal that compound 1 is an excellent probe for K+ ions under simulated physiological conditions. The presence of a 2-methoxyethoxy lariat group at the ortho position of the anilino moiety is crucial to the substantially increased stability of compounds 1 and 2 over their lariat-free phenylaza-[18] crown-6 ether analogues. Probe 1 shows a high K+/Na+ selectivity and a 2.5-fold fluorescence enhancement was observed in the presence of 100 mm K+ ions. A fluorescent membrane sensor, which was prepared by incorporating probe 1 into a hydrogel, showed a fully reversible response, a response time of 150 s, and a signal change of 7.8% per 1 mm K+ within the range 1-10 mm K+. The membrane was easily fabricated (only a single sensing layer on a solid polyester support), yet no leaching was observed. Moreover, compound 1 rapidly permeated into cells, was cytocompatible, and was suitable for the fluorescent imaging of K+ ions on both the extracellular and intracellular levels. KW - crown compounds KW - fluorescence KW - gels KW - potassium KW - sensors Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1002/chem.201302350 SN - 0947-6539 SN - 1521-3765 VL - 19 IS - 44 SP - 14911 EP - 14917 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Beisner, Beatrix E. A1 - Grossart, Hans-Peter A1 - Gasol, Josep M. T1 - A guide to methods for estimating phago-mixotrophy in nanophytoplankton JF - Journal of plankton research N2 - Growing attention to phytoplankton mixotrophy as a trophic strategy has led to significant revisions of traditional pelagic food web models and ecosystem functioning. Although some empirical estimates of mixotrophy do exist, a much broader set of in situ measurements are required to (i) identify which organisms are acting as mixotrophs in real time and to (ii) assess the contribution of their heterotrophy to biogeochemical cycling. Estimates are needed through time and across space to evaluate which environmental conditions or habitats favour mixotrophy: conditions still largely unknown. We review methodologies currently available to plankton ecologists to undertake estimates of plankton mixotrophy, in particular nanophytoplankton phago-mixotrophy. Methods are based largely on fluorescent or isotopic tracers, but also take advantage of genomics to identify phylotypes and function. We also suggest novel methods on the cusp of use for phago-mixotrophy assessment, including single-cell measurements improving our capacity to estimate mixotrophic activity and rates in wild plankton communities down to the single-cell level. Future methods will benefit from advances in nanotechnology, micromanipulation and microscopy combined with stable isotope and genomic methodologies. Improved estimates of mixotrophy will enable more reliable models to predict changes in food web structure and biogeochemical flows in a rapidly changing world. KW - flow cytometry KW - phagotrophy KW - phytoplankton KW - methods KW - fluorescence KW - microscopy KW - FISH KW - isotopic methods KW - phylotypes KW - carbon flows KW - gene sequencing Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1093/plankt/fbz008 SN - 0142-7873 SN - 1464-3774 VL - 41 IS - 2 SP - 77 EP - 89 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Broeker, Nina K. A1 - Roske, Yvette A1 - Valleriani, Angelo A1 - Stephan, Mareike Sophia A1 - Andres, Dorothee A1 - Koetz, Joachim A1 - Heinemann, Udo A1 - Barbirz, Stefanie T1 - Time-resolved DNA release from an O-antigen-specific Salmonella bacteriophage with a contractile tail JF - The journal of biological chemistry N2 - Myoviruses, bacteriophages with T4-like architecture, must contract their tails prior to DNA release. However, quantitative kinetic data on myovirus particle opening are lacking, although they are promising tools in bacteriophage-based antimicrobial strategies directed against Gram-negative hosts. For the first time, we show time-resolved DNA ejection from a bacteriophage with a contractile tail, the multi-O-antigen-specific Salmonella myovirus Det7. DNA release from Det7 was triggered by lipopolysaccharide (LPS) O-antigen receptors and notably slower than in noncontractile-tailed siphoviruses. Det7 showed two individual kinetic steps for tail contraction and particle opening. Our in vitro studies showed that highly specialized tailspike proteins (TSPs) are necessary to attach the particle to LPS. A P22-like TSP confers specificity for the Salmonella Typhimurium O-antigen. Moreover, crystal structure analysis at 1.63 angstrom resolution confirmed that Det7 recognized the Salmonella Anatum O-antigen via an E15-like TSP, DettilonTSP. DNA ejection triggered by LPS from either host showed similar velocities, so particle opening is thus a process independent of O-antigen composition and the recognizing TSP. In Det7, at permissive temperatures TSPs mediate O-antigen cleavage and couple cell surface binding with DNA ejection, but no irreversible adsorption occurred at low temperatures. This finding was in contrast to short-tailed Salmonella podoviruses, illustrating that tailed phages use common particle-opening mechanisms but have specialized into different infection niches. KW - bacteriophage KW - lipopolysaccharide (YLPS) KW - structural biology KW - DNA viruses KW - glycobiology KW - fluorescence KW - Salmonella enterica KW - contractile tail KW - DNA ejection KW - O-antigen specificity KW - Salmonella myovirus KW - tailspike protein KW - molecular machine Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.008133 SN - 1083-351X VL - 294 IS - 31 SP - 11751 EP - 11761 PB - American Society for Biochemistry and Molecular Biology CY - Bethesda ER - TY - JOUR A1 - Dunsing, Valentin A1 - Petrich, Annett A1 - Chiantia, Salvatore T1 - Multicolor fluorescence fluctuation spectroscopy in living cells via spectral detection JF - eLife N2 - Signaling pathways in biological systems rely on specific interactions between multiple biomolecules. Fluorescence fluctuation spectroscopy provides a powerful toolbox to quantify such interactions directly in living cells. Cross-correlation analysis of spectrally separated fluctuations provides information about intermolecular interactions but is usually limited to two fluorophore species. Here, we present scanning fluorescence spectral correlation spectroscopy (SFSCS), a versatile approach that can be implemented on commercial confocal microscopes, allowing the investigation of interactions between multiple protein species at the plasma membrane. We demonstrate that SFSCS enables cross-talk-free cross-correlation, diffusion, and oligomerization analysis of up to four protein species labeled with strongly overlapping fluorophores. As an example, we investigate the interactions of influenza A virus (IAV) matrix protein 2 with two cellular host factors simultaneously. We furthermore apply raster spectral image correlation spectroscopy for the simultaneous analysis of up to four species and determine the stoichiometry of ternary IAV polymerase complexes in the cell nucleus. KW - fluorescence KW - optical microscopy KW - virus assembly KW - protein-protein KW - interactions KW - diffusion KW - Viruses Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.7554/eLife.69687 SN - 2050-084X VL - 10 PB - eLife Sciences Publications CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Eerqing, Narima A1 - Subramanian, Sivaraman A1 - Rubio Jimenez, Jesus A1 - Lutz, Tobias A1 - Wu, Hsin-Yu A1 - Anders, Janet A1 - Soeller, Christian A1 - Vollmer, Frank T1 - Comparing transient oligonucleotide hybridization kinetics using DNA-PAINT and optoplasmonic single-molecule sensing on gold nanorods JF - ACS photonics / American Chemical Society N2 - We report a comparison of two photonic techniques for single-molecule sensing: fluorescence nanoscopy and optoplasmonic sensing. As the test system, oligonucleotides with and without fluorescent labels are transiently hybridized to complementary "docking" strands attached to gold nanorods. Comparing the measured single-molecule kinetics helps to examine the influence of the fluorescent labels as well as factors arising from different sensing geometries. Our results demonstrate that DNA dissociation is not significantly altered by the fluorescent labels and that DNA association is affected by geometric factors in the two techniques. These findings open the door to exploiting plasmonic sensing and fluorescence nanoscopy in a complementary fashion, which will aid in building more powerful sensors and uncovering the intricate effects that influence the behavior of single molecules. KW - single-molecule KW - plasmonics KW - whispering gallery modes KW - optoplasmonic KW - DNA-PAINT KW - fluorescence KW - localization microscopy Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01179 SN - 2330-4022 VL - 8 IS - 10 SP - 2882 EP - 2888 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Gupta, Banshi D. A1 - Pathak, Anisha A1 - Shrivastav, Anand T1 - Optical Biomedical Diagnostics Using Lab-on-Fiber Technology BT - a review JF - Photonics : open access journal N2 - Point-of-care and in-vivo bio-diagnostic tools are the current need for the present critical scenarios in the healthcare industry. The past few decades have seen a surge in research activities related to solving the challenges associated with precise on-site bio-sensing. Cutting-edge fiber optic technology enables the interaction of light with functionalized fiber surfaces at remote locations to develop a novel, miniaturized and cost-effective lab on fiber technology for bio-sensing applications. The recent remarkable developments in the field of nanotechnology provide innumerable functionalization methodologies to develop selective bio-recognition elements for label free biosensors. These exceptional methods may be easily integrated with fiber surfaces to provide highly selective light-matter interaction depending on various transduction mechanisms. In the present review, an overview of optical fiber-based biosensors has been provided with focus on physical principles used, along with the functionalization protocols for the detection of various biological analytes to diagnose the disease. The design and performance of these biosensors in terms of operating range, selectivity, response time and limit of detection have been discussed. In the concluding remarks, the challenges associated with these biosensors and the improvement required to develop handheld devices to enable direct target detection have been highlighted. KW - fiber optic sensors KW - synthesis KW - interferometry KW - fluorescence KW - SERS KW - SPR KW - immunosensors KW - enzymatic sensors KW - molecular imprinted polymers Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/photonics9020086 SN - 2304-6732 VL - 9 IS - 2 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Jung, Carl Christoph T1 - Lichtinduzierte Generierung und Charakterisierung optischer Anisotropie N2 - Eine Nutzung der optischen Anisotropie dünner Schichten ist vor allem für die Displaytechnologie, die optische Datenspeicherung und für optische Sicherheitselemente von hoher Bedeutung. Diese Doktorarbeit befasst sich mit theoretischen und experimentellen Untersuchung von dreidimensionaler Anisotropie und dabei insbesondere mit der Untersuchung von lichtinduzierter dreidimensionaler Anisotropie in organischen dünnen Polymer-Schichten. Die gewonnenen Erkentnisse und entwickelten Methoden können wertvolle Beiträge für Optimierungsprozesse, wie bei der Kompensation der Blickwinkelabhängigkeit von Flüssigkristall-Displays, liefern. Die neue Methode der Immersions-Transmissions-Ellipsometrie (ITE) zur Untersuchung von dünneren Schichten wurde im Rahmen dieser Dissertation entwickelt. Diese Methode gestattet es, in Kombination mit konventioneller Reflexions- und Transmissionsellipsometrie, die absoluten dreidimensionalen Brechungsindices einer biaxialen Schicht zu bestimmen. Erstmals gelang es damit, das dreidimensionale Brechungsindexellipsoid von transparenten, dünneren (150 nm) Filmen hochgenau (drei Stellen hinter dem Komma) zu bestimmen. Die ITE-Methode hat demzufolge das Potential, auch bei noch dünneren Schichten mit Gewinn eingesetzt werden zu können. Die lichtinduzierte Generierung von dreidimensionaler Anisotropie wurde in dünnen Schichten von azobenzenhaltigen und zimtsäurehaltigen, amorphen und flüssig-kristallinen Homo- und Copolymeren untersucht. Erstmals wurden quantitative Untersuchungen zur Änderung von lichtinduzierten, dreidimensionalen Anisotropien in dünnen Schichten von azobenzenhaltigen und zimtsäurehaltigen Polymeren bei Tempern oberhalb der Glastemperatur durchgeführt. Bei vielen der untersuchten Polymere war die dreidimensionale Ordnung nach dem Bestrahlen mit polarisiertem Licht und anschließendem Tempern oberhalb der Glastemperatur scheinbar von der Schichtdicke abhängig. Die Ursache liegt wohl in der, mit der neuentwickelten ITE-Methode detektierten, planaren Ausgangsorientierung der aufgeschleuderten dünneren Schichten. Um Verkippungs-Gradienten in dickeren Polymerschichten in ihrem Verlauf zu bestimmen, wurde eine spezielle Methode unter Benutzung der Wellenleitermoden-Spektroskopie entwickelt. Quantenchemisch bestimmte, maximal induzierbare Doppelbrechungen in flüssig-kristallinen Polymeren wurden mit den experimentell gefundenen Ordnungen verglichen. N2 - The optical anisotropy of thin films is of great interest mainly in the display technology, the optical data storage and for optical security elements. The topic of this thesis was the theoretical and experimental investigation of three-dimensional anisotropy and especially the investigation of light-induced three-dimensional anisotropy in thin organic polymer films. The results and newly developed methods can contribute significantly to technical optimisation processes, e. g. for the compensation of the viewing angle dependence of liquid crystal displays. The new method of immersion-transmission-ellipsometry (ITE) for the investigation of thinner layers was developed in the course of this PhD. The new method allows to determine the absolute three-dimensional refractive indices of a biaxial film. For the first time it has been possible to determine the three-dimensional indicatrix of transparent, 150 nm thin films with an accuracy of three digits after the decimal point. The ITE-method therefore has the potential to be used for the investigation of even thinner films. The light-induced generation of three-dimensional anisotropy was investigated in thin films of azobenzene-containing and cinnamate containing, amorphous and liquid crystalline homo- and copolymers. For the first time, quantitative investigations of the changes of light-induced, three-dimensional anisotropies in thin films of azobenzene containing and cinnamate containing polymers, that were brought about by annealing above the glass transition temperatures, were carried out. For many of the investigated polymers the three-dimensional order after irradiation with polarised light and subsequent annealing above the glass transition temperature seemed to be dependent on the film thickness. The reason could be the planar initial order of the spin-coated thinner films, which was detected with the new ITE-method. For the characterisation of tilt gradients in thicker polymer films a special method using waveguide spectroscopy was developed. Quantum chemically determined maximal values of inducible birefringence were compared with the experimentally determined values. KW - Anisotropie KW - Photoorientierung KW - Photoalignment KW - dünne Schichten KW - 3D KW - Ellipsometrie KW - Kompensatoren KW - Wellenleiter KW - Displays KW - Fluoreszenz KW - anisotropy KW - photo-orientation KW - photoalignment KW - thin films KW - 3D KW - ellipsometry KW - compensation films KW - waveguides KW - displays KW - fluorescence Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001390 ER - TY - BOOK A1 - Jung, Carl Christoph T1 - Lichtinduzierte Generierung und Charakterisierung optischer Anisotropie. - [überarb. Diss.] N2 - Eine Nutzung der optischen Anisotropie dünner Schichten ist vor allem für die Displaytechnologie, die optische Datenspeicherung und für optische Sicherheitselemente von hoher Bedeutung. Diese Doktorarbeit befasst sich mit theoretischen und experimentellen Untersuchung von dreidimensionaler Anisotropie und dabei insbesondere mit der Untersuchung von lichtinduzierter dreidimensionaler Anisotropie in organischen dünnen Polymer-Schichten. Die gewonnenen Erkentnisse und entwickelten Methoden können wertvolle Beiträge für Optimierungsprozesse, wie bei der Kompensation der Blickwinkelabhängigkeit von Flüssigkristall-Displays, liefern. Die neue Methode der Immersions-Transmissions-Ellipsometrie (ITE) zur Untersuchung von dünneren Schichten wurde im Rahmen dieser Dissertation entwickelt. Diese Methode gestattet es, in Kombination mit konventioneller Reflexions- und Transmissionsellipsometrie, die absoluten dreidimensionalen Brechungsindices einer biaxialen Schicht zu bestimmen. Erstmals gelang es damit, das dreidimensionale Brechungsindexellipsoid von transparenten, dünneren (150 nm) Filmen hochgenau (drei Stellen hinter dem Komma) zu bestimmen. Die ITE-Methode hat demzufolge das Potential, auch bei noch dünneren Schichten mit Gewinn eingesetzt werden zu können. Die lichtinduzierte Generierung von dreidimensionaler Anisotropie wurde in dünnen Schichten von azobenzenhaltigen und zimtsäurehaltigen, amorphen und flüssig-kristallinen Homo- und Copolymeren untersucht. Erstmals wurden quantitative Untersuchungen zur Änderung von lichtinduzierten, dreidimensionalen Anisotropien in dünnen Schichten von azobenzenhaltigen und zimtsäurehaltigen Polymeren bei Tempern oberhalb der Glastemperatur durchgeführt. Bei vielen der untersuchten Polymere war die dreidimensionale Ordnung nach dem Bestrahlen mit polarisiertem Licht und anschließendem Tempern oberhalb der Glastemperatur scheinbar von der Schichtdicke abhängig. Die Ursache liegt wohl in der, mit der neuentwickelten ITE-Methode detektierten, planaren Ausgangsorientierung der aufgeschleuderten dünneren Schichten. Um Verkippungs-Gradienten in dickeren Polymerschichten in ihrem Verlauf zu bestimmen, wurde eine spezielle Methode unter Benutzung der Wellenleitermoden-Spektroskopie entwickelt. Quantenchemisch bestimmte, maximal induzierbare Doppelbrechungen in flüssig-kristallinen Polymeren wurden mit den experimentell gefundenen Ordnungen verglichen. N2 - The optical anisotropy of thin films is of great interest mainly in the display technology, the optical data storage and for optical security elements. The topic of this thesis was the theoretical and experimental investigation of three-dimensional anisotropy and especially the investigation of light-induced three-dimensional anisotropy in thin organic polymer films. The results and newly developed methods can contribute significantly to technical optimisation processes, e. g. for the compensation of the viewing angle dependence of liquid crystal displays. The new method of immersion-transmission-ellipsometry (ITE) for the investigation of thinner layers was developed in the course of this PhD. The new method allows to determine the absolute three-dimensional refractive indices of a biaxial film. For the first time it has been possible to determine the three-dimensional indicatrix of transparent, 150 nm thin films with an accuracy of three digits after the decimal point. The ITE-method therefore has the potential to be used for the investigation of even thinner films. The light-induced generation of three-dimensional anisotropy was investigated in thin films of azobenzene-containing and cinnamate containing, amorphous and liquid crystalline homo- and copolymers. For the first time, quantitative investigations of the changes of light-induced, three-dimensional anisotropies in thin films of azobenzene containing and cinnamate containing polymers, that were brought about by annealing above the glass transition temperatures, were carried out. For many of the investigated polymers the three-dimensional order after irradiation with polarised light and subsequent annealing above the glass transition temperature seemed to be dependent on the film thickness. The reason could be the planar initial order of the spin-coated thinner films, which was detected with the new ITE-method. For the characterisation of tilt gradients in thicker polymer films a special method using waveguide spectroscopy was developed. Quantum chemically determined maximal values of inducible birefringence were compared with the experimentally determined values. KW - Anisotropie KW - Photoorientierung KW - Photoalignment KW - dünne Schichten KW - 3D KW - Ellipsometrie KW - Kompensatoren KW - Wellenleiter KW - Displays KW - Fluoreszenz KW - anisotropy KW - photo-orientation KW - photoalignment KW - thin films KW - 3D KW - ellipsometry KW - compensation films KW - waveguides KW - displays KW - fluorescence Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001501 ER - TY - THES A1 - Kölsch, Jonas David T1 - Entwicklung neuer farbstoffmarkierter Polymere zur Visualisierung des LCST-Phasenübergangs in wässriger Lösung T1 - Development of new dye labeled polymers for visualisation of LCST transition in water N2 - Ziel der Arbeit war die Entwicklung von farbstoffmarkierten Polymeren, die einen temperaturgetriebenen Knäuel-Kollaps-Phasenübergang in wässriger Lösung ("thermo-responsive Polymere") zeigen und diesen in ein optisches Signal übersetzen können. Solche Polymere unterliegen innerhalb eines kleinen Temperaturintervalls einer massiven Änderung ihres Verhaltens, z B. ihrer Konformation und ihres Quellungsgrads. Diese Änderungen sind mit einem Wechsel der Löseeigenschaften von hydrophil zu hydrophob verbunden. Als Matrixpolymere wurden Poly-N-isopropylacrylamid (polyNIPAm), Poly(oligoethylen-glykolacrylat) (polyOEGA) und Poly(oligoethylenglykolmethacrylat) (polyOEGMA) ein-gesetzt, in die geeignete Farbstoffen durch Copolymerisation eingebaut wurden. Als besonders geeignet, um den Phasenübergang in ein optisches Signal zu übersetzen, erwiesen sich hierfür kompakte, solvatochrome Cumarin- und Naphthalimidderivate. Diese beeinträchtigten weder das Polymerisationsverhalten noch den Phasenübergang, reagierten aber sowohl bezüglich Farbe als auch Fluoreszenz stark auf die Polarität des Lösemittels. Weiterhin wurden Systeme entwickelt, die mittels Energietransfer (FRET) ein an den Phasenübergang gekoppeltes optisches Signal erzeugen. Hierbei wurde ein Cumarin als Donor- und ein Polythiophen als Akzeptorfarbstoff eingesetzt. Es zeigte sich, dass trotz scheinbarer Ähnlichkeit bestimmte Polymere ausgeprägt auf einen Temperaturstimulus mit Änderung ihrer spektralen Eigenschaften reagieren, andere aber nicht. Hierfür wurden die molekularen Ursachen untersucht. Als wahrscheinliche Gründe für das Ausbleiben einer spektralen Änderung in Oligo(ethylenglykol)-basierten Polymeren sind zum einen die fehlende Dehydratationseffektivität infolge des Fehlens eines selbstgenügenden Wasserstoffbrückenbindungsmotivs zu nennen und zum anderen die sterische Abschirmung der Farbstoffe durch die Oligo(ethylenglykol)-Seitenketten. Als Prinzipbeweis für die Nützlichkeit solcher Systeme für die Bioanalytik wurde ein System entwickelt, dass die Löslichkeitseigenschaft eines thermoresponsiven Polymers durch Antikörper-Antigen-Reaktion änderte. Die Bindung selbst kleiner Mengen eines Antikörpers ließ sich so direkt optisch auslesen und war bereits mit dem bloßen Auge zu erkennen. N2 - This work is based on different dye labeled thermo responsive polymers. These polymers are useful tool for the visualisation of the LCST phase transition in water. KW - LCST KW - Farbstoff KW - Polymer KW - Fluoreszens KW - LCST KW - dye KW - polymer KW - fluorescence Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72531 ER - TY - THES A1 - Meiling, Till Thomas T1 - Development of a reliable and environmentally friendly synthesis for fluorescence carbon nanodots T1 - Entwicklung einer zuverlässigen und umweltfreundlichen Synthese für fluoreszierende Kohlenstoff-Nanopunkte BT - preparation and characterisation of excellent and well-defined carbon nanodots by a fast, simple and cost-efficient synthesis method; with special focus on future exploration and large scale applications BT - Herstellung und Charakterisierung von hochwertigen und klar definierten Kohlenstoff-Nanopunkten mit Hilfe einer schnellen, einfachen, und kosteneffizienten Synthesemethode; mit speziellem Fokus auf ihre zukünftige Erforschung und breite Anwendung N2 - Carbon nanodots (CNDs) have generated considerable attention due to their promising properties, e.g. high water solubility, chemical inertness, resistance to photobleaching, high biocompatibility and ease of functionalization. These properties render them ideal for a wide range of functions, e.g. electrochemical applications, waste water treatment, (photo)catalysis, bio-imaging and bio-technology, as well as chemical sensing, and optoelectronic devices like LEDs. In particular, the ability to prepare CNDs from a wide range of accessible organic materials makes them a potential alternative for conventional organic dyes and semiconductor quantum dots (QDs) in various applications. However, current synthesis methods are typically expensive and depend on complex and time-consuming processes or severe synthesis conditions and toxic chemicals. One way to reduce overall preparation costs is the use of biological waste as starting material. Hence, natural carbon sources such as pomelo peal, egg white and egg yolk, orange juice, and even eggshells, to name a few; have been used for the preparation of CNDs. While the use of waste is desirable, especially to avoid competition with essential food production, most starting-materials lack the essential purity and structural homogeneity to obtain homogeneous carbon dots. Furthermore, most synthesis approaches reported to date require extensive purification steps and have resulted in carbon dots with heterogeneous photoluminescent properties and indefinite composition. For this reason, among others, the relationship between CND structure (e.g. size, edge shape, functional groups and overall composition) and photophysical properties is yet not fully understood. This is particularly true for carbon dots displaying selective luminescence (one of their most intriguing properties), i.e. their PL emission wavelength can be tuned by varying the excitation wavelength. In this work, a new reliable, economic, and environmentally-friendly one-step synthesis is established to obtain CNDs with well-defined and reproducible photoluminescence (PL) properties via the microwave-assisted hydrothermal treatment of starch, carboxylic acids and Tris-EDTA (TE) buffer as carbon- and nitrogen source, respectively. The presented microwave-assisted hydrothermal precursor carbonization (MW-hPC) is characterized by its cost-efficiency, simplicity, short reaction times, low environmental footprint, and high yields of approx. 80% (w/w). Furthermore, only a single synthesis step is necessary to obtain homogeneous water-soluble CNDs with no need for further purification. Depending on starting materials and reaction conditions different types of CNDs have been prepared. The as-prepared CNDs exhibit reproducible, highly homogeneous and favourable PL properties with narrow emission bands (approx. 70nm FWHM), are non-blinking, and are ready to use without need for further purification, modification or surface passivation agents. Furthermore, the CNDs are comparatively small (approx. 2.0nm to 2.4nm) with narrow size distributions; are stable over a long period of time (at least one year), either in solution or as a dried solid; and maintain their PL properties when re-dispersed in solution. Depending on CND type, the PL quantum yield (PLQY) can be adjusted from as low as 1% to as high as 90%; one of the highest reported PLQY values (for CNDs) so far. An essential part of this work was the utilization of a microwave synthesis reactor, allowing various batch sizes and precise control over reaction temperature and -time, pressure, and heating- and cooling rate, while also being safe to operate at elevated reaction conditions (e.g. 230 ±C and 30 bar). The hereby-achieved high sample throughput allowed, for the first time, the thorough investigation of a wide range of synthesis parameters, providing valuable insight into the CND formation. The influence of carbon- and nitrogen source, precursor concentration and -combination, reaction time and -temperature, batch size, and post-synthesis purification steps were carefully investigated regarding their influence on the optical properties of as-synthesized CNDs. In addition, the change in photophysical properties resulting from the conversion of CND solution into solid and back into the solution was investigated. Remarkably, upon freeze-drying the initial brown CND-solution turns into a non-fluorescent white/slightly yellow to brown solid which recovers PL in aqueous solution. Selected CND samples were also subject to EDX, FTIR, NMR, PL lifetime (TCSPC), particle size (TEM), TGA and XRD analysis. Besides structural characterization, the pH- and excitation dependent PL characteristics (i.e. selective luminescence) were examined; giving inside into the origin of photophysical properties and excitation dependent behaviour of CNDs. The obtained results support the notion that for CNDs the nature of the surface states determines the PL properties and that excitation dependent behaviour is caused by the “Giant Red-Edge Excitation Shift” (GREES). N2 - Kohlenstoff-Nanopunkte (CNDs, engl. carbon nanodots) haben im letzten Jahrzehnt insbesondere durch ihre vielversprechenden Eigenschaften immer mehr an Popularität gewonnen. CNDs zeichnen sich insbesondere durch ihre Wasserlöslichkeit, hohe chemische Stabilität, Biokompatibilität, hohe Resistenz gegen Photobleichen, und die Möglichkeit zur Oberflächenfunktionalisierung aus. Diese Eigenschaften machen sie somit ideal für eine breite Palette von Anwendungen: z.B. Abwasserbehandlung, (Foto-) Katalyse, Bioimaging und Biotechnologie, chemische Sensorik, sowie elektrochemische- und optoelektronische Anwendungen (z.B. LEDs). Insbesondere die Möglichkeit, CNDs aus einer Vielzahl organischer Materialien herzustellen, machen sie zu einer möglichen Alternative für herkömmliche organische Farbstoffe und Halbleiter-Quantenpunkte (QDs). Derzeitigen Synthesestrategien erweisen sich jedoch häufig als teuer, komplex und zeitaufwändig; bzw. benötigen toxischen Chemikalien und/oder drastische Reaktionsbedingungen. Eine Möglichkeit, die Herstellungskosten von CNDs zu reduzieren, ist die Verwendung von biologischem Abfall als Ausgangsmaterial. So wurden bereits eine Vielzahl an natürlichen Kohlenstoffquellen, z.B. Pomelo-Schale, Eiweiß und Eigelb, Orangensaft und sogar Eierschalen, für die Darstellung von CNDs verwendet. Während die Verwendung von biologischem Abfall wünschenswert ist, insbesondere um Wettbewerb mit der Nahrungsmittelproduktion zu vermeiden, fehlt den meisten Ausgangsmaterialien jedoch die notwendige Reinheit und strukturelle Homogenität um einheitliche CNDs zu erhalten. So führen bisherige Syntheseansätze oft zu CNDs mit heterogenen photophysikalischen Eigenschaften und unbestimmter Zusammensetzung. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen CND Struktur und photophysikalischen Eigenschaften werden aber möglichst homogene und vergleichbare Proben benötigt. In dieser Arbeit wird daher eine neue, zuverlässige, ökonomische und umweltfreundliche Einstufen-Synthese zur Darstellung von CNDs mit klar definierten und reproduzierbaren Photolumineszenz- (PL) -Eigenschaften vorgestellt. Die vorgestellte Methode basiert auf der mikrowellenunterstützten, hydrothermischen Behandlung (MW-hPC, engl. microwaveassisted hydrothermal precursor carbonization) wässriger Lösungen aus Stärke, Carbonsäuren (als Kohlenstoffquelle) und Tris-EDTA (TE) -Puffer (als Stickstoffquelle). Die MW-hPC zeichnet sich insbesondere durch die hohe Reproduzierbarkeit, einfache Handhabung, geringen Reaktionszeiten, geringe Umweltbelastung, Kosteneffizienz und die hohen Ausbeuten von ca. 80% (w/w) aus. Darüber hinaus wird nur ein einziger Syntheseschritt (ohne weitere Aufreinigung) benötigt um homogene, wasserlösliche CNDs zu erhalten. In Abhängig der gewählten Ausgangsmaterialen und Reaktionsbedingungen können verschiedene Typen an CNDs gewonnen werden. Die so gewonnen CNDs sind verhältnismäßig klein (ca. 2.0nm- 2.4nm); besitzen eine geringe Größenverteilung, hochgradig homogenen PL-Eigenschaften, und geringen Halbwertsbreiten (FWHM) von ca. 70nm. Darüber hinaus erwiesen sie sich als nicht blinkend; sind langzeitstabil (min. ein Jahr) sowohl in Lösung als auch als Feststoff; und sind direkt gebrauchsfertig, d.h. benötigen keine weitere Aufreinigung oder Oberflächenpassivierung. In Abhängigkeit vom CND-Typ kann die PL-Quantenausbeute zwischen 1% bis 90% betragen; einer der höchsten Werte der je (für CNDs) erreicht wurde. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit war die Verwendung eines Mikrowellensynthese- Reaktors (MiWR) und die damit einhergehende präzise Kontrolle über die Reaktionstemperatur und -zeit, den Druck, und die Heiz- und Abkühlgeschwindigkeit. Des Weiteren ermöglichte der MiWR unterschiedliche Ansatzgrößen und das sichere Arbeiten bei erhöhten Reaktionsbedingungen (z.B. 230 ±C und 30 bar). Der hierdurch erreichte hohe Probendurchsatz ermöglichte somit erstmals die sorgfältige Untersuchung einer Vielzahl an Syntheseparametern hinsichtlich ihres Einflusses auf die photophysikalischen Eigenschaften der dargestellten CNDs. Die untersuchten Parameter reichen hierbei von der Reaktionstemperatur und -zeit über die Edukt-Konzentration und -Kombination (Kohlenstoff- und Stickstoffquelle) bis hin zur Ansatzgröße. Bemerkenswerterweise, und unabhängig vom CND-Typ, transformieren die ursprünglich braunen CND-Lösungen während der Trocknung zu einem nicht fluoreszierenden, weißen/leicht gelblich bis bräunlichen Feststoff; und regenerieren ihre photophysikalischen Eigenschaften verlustfrei in wässriger Lösung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgewählte CND-Proben der EDX-, FTIR-, NMR-, TCSPC-, Partikelgrößen (TEM)-, TGA- und XRD-Analyse unterzogen. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse stützen die Theorie, dass die photophysikalischen Eigenschaften der CNDs durch ihre Oberflächenzustände bestimmt werden und dass die s.g. ”Riesen-Rotkanten-Anregungsverschiebung” (GREES, engl. Giant Red Edge Excitation Shift) eine mögliche Ursache für die häufig beobachtete Anregungswellenlängenabhängigkeit der Emissionswellenlänge (bzw. selektive Lumineszenz) in CNDs ist. KW - carbon dots KW - carbon nanodots KW - fluorescence KW - high quantum yield KW - microwave synthesis KW - white carbon KW - Kohlenstoff-Punkte KW - Kohlenstoff-Nanopunkte KW - Fluoreszenz KW - hohe Quantenausbeute KW - mikrowellengestützte Synthese KW - weißer Kohlenstoff Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410160 ER -