TY - THES A1 - Villatoro Leal, José Andrés T1 - A combined approach for the analysis of biomolecules using IR-MALDI ion mobility spectrometry and molecular dynamics simulations of peptide ions in the gas phase T1 - Kombinierter Einsatz von IR-MALDI Ionenmobilitätsspektrometrie und Simulationen der Molekulardynamik von Peptidionen in der Gasphase zur Analyse von Biomolekülen N2 - The aim of this doctoral thesis was to establish a technique for the analysis of biomolecules with infrared matrix-assisted laser dispersion (IR-MALDI) ion mobility (IM) spectrometry. The main components of the work were the characterization of the IR-MALDI process, the development and characterization of different ion mobility spectrometers, the use of IR-MALDI-IM spectrometry as a robust, standalone spectrometer and the development of a collision cross-section estimation approach for peptides based on molecular dynamics and thermodynamic reweighting. First, the IR-MALDI source was studied with atmospheric pressure ion mobility spectrometry and shadowgraphy. It consisted of a metal capillary, at the tip of which a self-renewing droplet of analyte solution was met by an IR laser beam. A relationship between peak shape, ion desolvation, diffusion and extraction pulse delay time (pulse delay) was established. First order desolvation kinetics were observed and related to peak broadening by diffusion, both influenced by the pulse delay. The transport mechanisms in IR-MALDI were then studied by relating different laser impact positions on the droplet surface to the corresponding ion mobility spectra. Two different transport mechanisms were determined: phase explosion due to the laser pulse and electrical transport due to delayed ion extraction. The velocity of the ions stemming from the phase explosion was then measured by ion mobility and shadowgraphy at different time scales and distances from the source capillary, showing an initially very high but rapidly decaying velocity. Finally, the anatomy of the dispersion plume was observed in detail with shadowgraphy and general conclusions over the process were drawn. Understanding the IR-MALDI process enabled the optimization of the different IM spectrometers at atmospheric and reduced pressure (AP and RP, respectively). At reduced pressure, both an AP and an RP IR-MALDI source were used. The influence of the pulsed ion extraction parameters (pulse delay, width and amplitude) on peak shape, resolution and area was systematically studied in both AP and RP IM spectrometers and discussed in the context of the IR-MALDI process. Under RP conditions, the influence of the closing field and of the pressure was also examined for both AP and RP sources. For the AP ionization RP IM spectrometer, the influence of the inlet field (IF) in the source region was also examined. All of these studies led to the determination of the optimal analytical parameters as well as to a better understanding of the initial ion cloud anatomy. The analytical performance of the spectrometer was then studied. Limits of detection (LOD) and linear ranges were determined under static and pulsed ion injection conditions and interpreted in the context of the IR-MALDI mechanism. Applications in the separation of simple mixtures were also illustrated, demonstrating good isomer separation capabilities and the advantages of singly charged peaks. The possibility to couple high performance liquid chromatography (HPLC) to IR-MALDI-IM spectrometry was also demonstrated. Finally, the reduced pressure spectrometer was used to study the effect of high reduced field strength on the mobility of polyatomic ions in polyatomic gases. The last focus point was on the study of peptide ions. A dataset obtained with electrospray IM spectrometry was characterized and used for the calibration of a collision cross-section (CCS) determination method based on molecular dynamics (MD) simulations at high temperature. Instead of producing candidate structures which are evaluated one by one, this semi-automated method uses the simulation as a whole to determine a single average collision cross-section value by reweighting the CCS of a few representative structures. The method was compared to the intrinsic size parameter (ISP) method and to experimental results. Additional MD data obtained from the simulations was also used to further analyze the peptides and understand the experimental results, an advantage with regard to the ISP method. Finally, the CCS of peptide ions analyzed by IR-MALDI were also evaluated with both ISP and MD methods and the results compared to experiment, resulting in a first validation of the MD method. Thus, this thesis brings together the soft ionization technique that is IR-MALDI, which produces mostly singly charged peaks, with ion mobility spectrometry, which can distinguish between isomers, and a collision cross-section determination method which also provides structural information on the analyte at hand. N2 - Das Ziel dieser Arbeit war die Zusammenführung der schonende Ionisationsquelle Infrared Matrix-Assisted Laser Dispersion Ionization (IR-MALDI), der Isomer-diskriminierende Ionenmobilitätsspektrometrie und einer neuartigen, auf Molecular Dynamics (MD) Simulationen basierte Berechnungsmethode für Stoßquerschnitte. Der erste Schritt war die Charakterisierung des Flüssigkeitsdispersionsphänomens in IR-MALDI: Zwei verschiedenen Ionentransportmechanismen wurden nachgewiesen und weiter studiert. Die Beziehung zwischen Peakform, Diffusion, Desolvatation und Ionen Extraktionspuls wurde beschrieben. Die Geschwindigkeit der Ionen, die aus dem Dispersionsphänomen stammen, wurde durch Ionenmobilitätsspektrometrie und Shadowgraphie untersucht. Shadowgraphie hat ebenfalls das Verhalten des Dispersionsphänomens erläutert. Eine hohe, schnell abklingende initielle Geschwindigkeit wurde beobachtet. Das Verständnis des IR-MALDI Verfahrens ermöglichte die Optimierung der verschiedenen Ionenmobilität (IM) Spektrometer zum analytischen Zweck. Eine Atmosphärendruck- und zwei Niederdruckvariante von IM Spektrometern wurden mit gepulster Ionenextraktion genutzt. Die Pulsparameter (Pulsverzögerung, ‑breite, -höhe) und verschiedene elektrische Felder an unterschiedlichen Stellen der Spektrometer wurden systematisch variiert. Deren Einfluss auf die Peakauflösung und -fläche wurde untersucht und im Rahmen des IR-MALDI Verfahrens erklärt. Das Verständnis der Anatomie der Anfangsionenwolke wurde ebenfalls durch diese Experimente vertieft. Die analytische Leistungsfähigkeit eines IM-Spektrometers wurde dann untersucht. Nachweisgrenzen und lineare Bereiche wurden bestimmt und in Zusammenhang mit dem IR-MALDI Verfahren interpretiert. Anhand der Trennung von Isomeren und einfachen Mischungen wurde die Anwendung dieser Technik demonstriert und ihre Vorteile, die Detektion einfachgeladener Ionen und die Möglichkeit der HPLC-Kopplung (High Performance Liquid Chromatography), aufgezeigt. Mit dem Niederdruckspektrometer wurde der Einfluss hoher reduzierter Feldstärken auf die Ionenmobilität von polyatomische Ionen in polyatomische Gasen untersucht. Der letzte Schwerpunkt war die Charakterisierung von Peptidionen. Die Peptiden wurden mit Elektrospray (ESI) IM-Spektrometrie vermessen. Der hieraus erhaltene Datensatz diente zur Etablierung einer Stoßquerschnitt Berechnungsmethode mittels MD. Anstatt verschiedener Kandidat-Strukturen und deren Stoßquerschnitte, ergibt diese neuartige semi-automatisierte Methode einen einzigen, gemittelten Stoßquerschnitt. Die MD Methode wurde dann mit einer anderen, einfacheren Methode und mit den experimentellen Ergebnissen von ESI und IR-MALDI-IM Spektrometrie verglichen. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Ladungszustands- und Stoßquerschnittsdifferenzen zwischen den Peptiden untersucht. Weitere Strukturelle Informationen konnten aus den Simulationen extrahiert, und zur Charakterisierung der Peptiden verwendet werden. KW - Ion mobility spectrometry KW - Molecular dynamics KW - IR-MALDI KW - Peptides KW - Shadowgraphy KW - Liquid dispersion KW - Ionenmobilitätsspektrometrie KW - Molekulardynamik KW - Collision cross-section KW - IR-MALDI KW - Peptiden KW - Shadowgraphie KW - Stoßquerschnitt KW - Flüssigkeitszerstäubung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419723 ER - TY - THES A1 - Zhang, Quanchao T1 - Shape-memory properties of polymeric micro-scale objects prepared by electrospinning and electrospraying N2 - The ongoing trend of miniaturizing multifunctional devices, especially for minimally-invasive medical or sensor applications demands new strategies for designing the required functional polymeric micro-components or micro-devices. Here, polymers, which are capable of active movement, when an external stimulus is applied (e.g. shape-memory polymers), are intensively discussed as promising material candidates for realization of multifunctional micro-components. In this context further research activities are needed to gain a better knowledge about the underlying working principles for functionalization of polymeric micro-scale objects with a shape-memory effect. First reports about electrospun solid microfiber scaffolds, demonstrated a much more pronounced shape-memory effect than their bulk counterparts, indicating the high potential of electrospun micro-objects. Based on these initial findings this thesis was aimed at exploring whether the alteration of the geometry of micro-scale electrospun polymeric objects can serve as suitable parameter to tailor their shape-memory properties. The central hypothesis was that different geometries should result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which will influence their mechanical properties as well as thermally-induced shape-memory function. As electrospun micro-scale objects, microfiber scaffolds composed of hollow microfibers with different wall thickness and electrosprayed microparticles as well as their magneto-sensitive nanocomposites all prepared from the same polymer exhibiting pronounced bulk shape-memory properties were investigated. For this work a thermoplastic multiblock copolymer, named PDC, with excellent bulk shape-memory properties, associated with crystallizable oligo(ε-caprolactone) (OCL) switching domains, was chosen for the preparation of electrospun micro-scale objects, while crystallizable oligo(p-dioxanone) (OPDO) segments serve as hard domains in PDC. In the first part of the thesis microfiber scaffolds with different microfiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) were discussed. Hollow microfiber based PDC scaffolds were prepared by coaxial electrospinning from a 1, 1, 1, 3, 3, 3 hexafluoro-2-propanol (HFP) solution with a polymer concentration of 13% w·v-1. Here as a first step core-shell fiber scaffolds consisting of microfibers with a PDC shell and sacrificial poly(ethylene glycol) (PEG) core are generated. The hollow PDC microfibers were achieved after dissolving the PEG core with water. The utilization of a fixed electrospinning setup and the same polymer concentration of the PDC spinning solution could ensure the fabrication of microfibers with almost identical outer diameters of 1.4 ± 0.3 µm as determined by scanning electron microscopy (SEM). Different hollow microfiber wall thicknesses of 0.5 ± 0.2 and 0.3 ± 0.2 µm (analyzed by SEM) have been realized by variation of the mass flow rate, while solid microfibers were obtained by coaxial electrospinning without supplying any core solution. Differential scanning calorimetry experiments and tensile tests at ambient temperature revealed an increase in degree of OCL crystallinity form χc,OCL = 34 ± 1% to 43 ± 1% and a decrease in elongation of break from 800 ± 40% to 200 ± 50% associated with an increase in Young´s modulus and failture stress for PDC hollow microfiber scaffolds when compared with soild fibers. The observed effects were enhanced with decreasing wall thickness of the single hollow fibers. The shape-memory properties of the electrospun PDC scaffolds were quantified by cyclic, thermomechanical tensile tests. Here, scaffolds comprising hollow microfibers exhibited lower shape fixity ratios around Rf = 82 ± 1% and higher shape recovery ratios of Rr = 67 ± 1% associated to more pronounced relaxation at constant strain during the first test cycle and a lower switching temperature of Tsw = 33 ± 1 °C than the fibrous meshes consisting of solid microfibers. These findings strongly support the central hypothesis that different fiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) in electrospun scaffolds result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which can be applied as design parameter for tailoring their mechanical and shape-memory properties. The second part of the thesis deals with electrosprayed particulate PDC micro-scale objects. Almost spherical PDC microparticles with diameters of 3.9 ± 0.9 μm (as determined by SEM) were achieved by electrospraying of HFP solution with a polymer concentration of 2% w·v-1. In contrast, smaller particles with sizes of 400 ± 100 nm or 1.2 ± 0.3 μm were obtained for the magneto-sensitive composite PDC microparticles containing 23 ± 0.5 wt% superparamagnetic magnetite nanoparticles (mNPs). All prepared PDC microparticles exhibited a similar overall crystallinity like the PDC bulk material as analyzed by DSC. AFM nanoindentation results revealed no influence of the nanofiller incorporation on the local mechanical properties represented by the reduced modulus determined for pure PDC microparticles and magneto-sensitive composite PDC microparticles with similar diameters around 1.3 µm. It was found that the reduced modulus of the nanocomposite microparticles increased substantially with decreasing particles size from 2.4 ± 0.9 GPa (1.2 µm) to 11.9 ± 3.1 GPa (0.4 µm), which can be related to a higher orientation of the macromolecules at the surface of smaller sized microparticles. The magneto-sensitivity of such nanocomposite microparticles could be demonstrated in two aspects. One was by attracting/collecting the composite micro-objects with an external permanent magnet. The other one was by a inductive heating to 44 ± 1 °C, which is well above the melting transition of the OCL switching domains, when compacted to a 10 x 10 mm2 film with a thickness of 10 µm and exposed to an alternating magnet field with an magnetic field strength of 30 kA·m-1. Both functions are of great relevance for designing next generation drug delivery systems combining targeting and on demand release. By a compression approach shape-memory functionalization of individual microparticles could be realized. Here different programming pressures and compression temperatures were applied. The shape-recovery capability of the programmed PDC microparticles was quantified by online and off-line heating experiments analyzed via microscopy measurement. The obtained shape-memory properties were found to be strongly depending on the applied programming pressure and temperature. The best shape-memory performance with a high shape recovery rate of about Rr = 80±1% was obtained when a low pressure of 0.2 MPa was applied at 55 °C. Finally, it was demonstrated that PDC microparticles can be utilized as micro building parts for preparation of a macroscopic film with temporary stability by compression of a densely packed array of PDC microparticles at 60 °C followed by subsequent cooling to ambient temperature. This film disintegrates into individual microparticles upon heating to 60 °C. Based on this technology the design of stable macroscopic release systems can be envisioned, which can be easily fixed at the site of treatment (i.e. by suturing) and disintegrate on demand to microparticles facilitating the drug release. In summary, the results of this thesis could confirm the central hypothesis that the variation of the geometry of polymeric micro-objects is a suitable parameter to adjust their shape-memory performance by changing the degree of macromolecular chain orientation in the specimens or by enabling new functions like on demand disintegration. These fundamental findings might be relevant for designing novel miniaturized multifunctional polymer-based devices. KW - shape-memory effect KW - microparticles KW - hollow microfibers KW - geometry Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Chen, Guoxiang T1 - Nanoparticles at solid interfaces N2 - Nanoparticles (NPs) are particles between 1 and 100 nanometers in size. They have attracted enormous research interests owing to their remarkable physicochemical properties and potential applications in the optics, catalysis, sensing, electronics, or optical devices. The thesis investigates systems of NPs attached to planar substrates. In the first part of the results section of the thesis a new method is presented to immobilize NPs. In many NP applications a strong, persistent adhesion to substrates is a key requirement. Up to now this has been achieved with various methods, which are not always the optimum regarding adhesion strength or applicability. We propose a new method which uses capillarity to enhance the binding agents in the contact area between NP and substrate. The adhesion strength resulting from the new approach is investigated in detail and it is shown that the new approach is superior to older methods in several ways. The following section presents the optical visualization of nano-sized objects through a combination of thin film surface distortion and interference enhanced optical reflection microscopy. It is a new, fast and non-destructive technique. It not only reveals the location of NPs as small as 20nm attached to planar surfaces and embedded in a molecularly thin liquid film. It also allows the measurement of the geometry of the surface distortion of the liquid film. Even for small NPs the meniscus reaches out for micrometers, which is the reason why the NPs produce such a pronounced optical footprint. The nucleation and growth of individual bubbles is presented in chapter 5. Nucleation is a ubiquitous natural phenomenon and of great importance in numerous industrial processes. Typically it occurs on very small scales (nanometers) and it is of a random nature (thermodynamics of small systems). Up to now most experimental nucleation studies deal with a large number of individual nucleation processes to cope with its inherently statistical, spatio-temporal character. In contrast, in this thesis the individual O2-bubble formation from single localized platinum NP active site is studied experimentally. The bubble formation is initiated by the catalytic reaction of H2O2 on the Pt surface. It is studied how the bubble nucleation and growth depends on the NP size, the H2O2 concentration and the substrate surface properties. It is observed that in some cases the bubbles move laterally over the substrate surface, driven by the O2-production and the film ablation. KW - Nanoparticles, Adhesion, Interfaces, Bubble, Imaging Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Lee, Hui-Chun T1 - Toward ultimate control of polymerization and catalytic property T1 - In Richtung ultimative Kontrolle der Polymerisation und der katalytischen Eigenschaft BT - a combination of metal-organic frameworks and ATRP BT - eine Kombination von Metall-organischen Gerüsten und ATRP N2 - Reversible-deactivation radical polymerization (RDRP) is without any doubt one of the most prevalent and powerful strategies for polymer synthesis, by which well-defined living polymers with targeted molecular weight (MW), low molar dispersity (Ɖ) and diverse morphologies can be prepared in a controlled fashion. Atom transfer radical polymerization (ATRP) as one of the most extensive studied types of RDRP has been particularly emphasized due to the high accessibility to hybrid materials, multifunctional copolymers and diverse end group functionalities via commercially available precursors. However, due to catalyst-induced side reactions and chain-chain coupling termination in bulk environment, synthesis of high MW polymers with uniform chain length (low Ɖ) and highly-preserved chain-end fidelity is usually challenging. Besides, owing to the inherited radical nature, the control of microstructure, namely tacticity control, is another laborious task. Considering the applied catalysts, the utilization of large amounts of non-reusable transition metal ions which lead to cumbersome purification process, product contamination and complicated reaction procedures all delimit the scope ATRP techniques. Metal-organic frameworks (MOFs) are an emerging type of porous materials combing the properties of both organic polymers and inorganic crystals, characterized with well-defined crystalline framework, high specific surface area, tunable porous structure and versatile nanochannel functionalities. These promising properties of MOFs have thoroughly revolutionized academic research and applications in tremendous aspects, including gas processing, sensing, photoluminescence, catalysis and compartmentalized polymerization. Through functionalization, the microenvironment of MOF nanochannel can be precisely devised and tailored with specified functional groups for individual host-guest interactions. Furthermore, properties of high transition metal density, accessible catalytic sites and crystalline particles all indicate MOFs as prominent heterogeneous catalysts which open a new avenue towards unprecedented catalytic performance. Although beneficial properties in catalysis, high agglomeration and poor dispersibility restrain the potential catalytic capacity to certain degree. Due to thriving development of MOF sciences, fundamental polymer science is undergoing a significant transformation, and the advanced polymerization strategy can eventually refine the intrinsic drawbacks of MOF solids reversely. Therefore, in the present thesis, a combination of low-dimensional polymers with crystalline MOFs is demonstrated as a robust and comprehensive approach to gain the bilateral advantages from polymers (flexibility, dispersibility) and MOFs (stability, crystallinity). The utilization of MOFs for in-situ polymerizations and catalytic purposes can be realized to synthesize intriguing polymers in a facile and universal process to expand the applicability of conventional ATRP methodology. On the other hand, through the formation of MOF/polymer composites by surface functionalization, the MOF particles with environment-adjustable dispersibility and high catalytic property can be as-prepared. In the present thesis, an approach via combination of confined porous textures from MOFs and controlled radical polymerization is proposed to advance synthetic polymer chemistry. Zn2(bdc)2(dabco) (Znbdc) and the initiator-functionalized Zn MOFs, ZnBrbdc, are utilized as a reaction environment for in-situ polymerization of various size-dependent methacrylate monomers (i.e. methyl, ethyl, benzyl and isobornyl methacrylate) through (surface-initiated) activators regenerated by electron transfer (ARGET/SI-ARGET) ATRP, resulting in polymers with control over dispersity, end functionalities and tacticity with respect to distinct molecular size. While the functionalized MOFs are applied, due to the strengthened compartmentalization effect, the accommodated polymers with molecular weight up to 392,000 can be achieved. Moreover, a significant improvement in end-group fidelity and stereocontrol can be observed. The results highlight a combination of MOFs and ATRP is a promising and universal methodology to synthesize versatile well-defined polymers with high molecular weight, increment in isotactic trial and the preserved chain-end functionality. More than being a host only, MOFs can act as heterogeneous catalysts for metal-catalyzed polymerizations. A Cu(II)-based MOF, Cu2(bdc)2(dabco), is demonstrated as a heterogeneous, universal catalyst for both thermal or visible light-triggered ARGET ATRP with expanded monomer range. The accessible catalytic metal sites enable the Cu(II) MOF to polymerize various monomers, including benzyl methacrylate (BzMA), styrene, methyl methacrylate (MMA), 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) in the fashion of ARGET ATRP. Furthermore, due to the robust frameworks, surpassing the conventional homogeneous catalyst, the Cu(II) MOF can tolerate strongly coordinating monomers and polymerize challenging monomers (i.e. 4-vinyl pyridine, 2-vinyl pyridine and isoprene), in a well-controlled fashion. Therefore, a synthetic procedure can be significantly simplified, and catalyst-resulted chelation can be avoided as well. Like other heterogeneous catalysts, the Cu(II) MOF catalytic complexes can be easily collected by centrifugation and recycled for an arbitrary amount of times. The Cu(II) MOF, composed of photostimulable metal sites, is further used to catalyze controlled photopolymerization under visible light and requires no external photoinitiator, dye sensitizer or ligand. A simple light trigger allows the photoreduction of Cu(II) to the active Cu(I) state, enabling controlled polymerization in the form of ARGET ATRP. More than polymerization application, the synergic effect between MOF frameworks and incorporated nucleophilic monomers/molecules is also observed, where the formation of associating complexes is able to adjust the photochemical and electrochemical properties of the Cu(II) MOF, altering the band gap and light harvesting behavior. Owing to the tunable photoabsorption property resulting from the coordinating guests, photoinduced Reversible-deactivation radical polymerization (PRDRP) can be achieved to further simplify and fasten the polymerization. More than the adjustable photoabsorption ability, the synergistic strategy via a combination of controlled/living polymerization technique and crystalline MOFs can be again evidenced as demonstrated in the MOF-based heterogeneous catalysts with enhanced dispersibility in solution. Through introducing hollow pollen pivots with surface immobilized environment-responsive polymer, PDMAEMA, highly dispersed MOF nanocrystals can be prepared after associating on polymer brushes via the intrinsic amine functionality in each DMAEMA monomer. Intriguingly, the pollen-PDMAEMA composite can serve as a “smart” anchor to trap nanoMOF particles with improved dispersibility, and thus to significantly enhance liquid-phase photocatalytic performance. Furthermore, the catalytic activity can be switched on and off via stimulable coil-to-globule transition of the PDMAEMA chains exposing or burying MOF catalytic sites, respectively. N2 - Die sogenannte „Reversible-Deactivation Radical Polymerization (RDRP)“ ist eine der am häufigsten genutzten und leistungsstärksten Methoden für die Polymersynthese, mit Hilfe derer genau definierte Polymere mit gezieltem Molekulargewicht (MW), niedriger molarer Dispersität (Ɖ) und verschiedenen Morphologien hergestellt werden können. Die sogenannte „Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) ist eine der am intensivsten untersuchten RDRP Methoden, da sie eine hohe Zugänglichkeit zu Hybridmaterialien, multifunktionellen Copolymeren und diversen Endgruppenfunktionalitäten ermöglicht. Jedoch ist die Synthese von Polymeren mit hohem Molekulargewicht, niedriger Dispersität, exakten Endgruppen und der Steuerung der Taktizität für gewöhnlich schwierig. Außerdem führt die Verwendung von großen Mengen an nichtwiederverwendbaren Übergangsmetallionen zu einem umständlichen Reinigungsprozess, wobei Produktverunreinigungen und komplizierte Reaktionsverfahren die Anwendungsbereiche der ATRP Techniken weiter begrenzen. “Metal-organic frameworks (MOFs)“ sind eine vielversprechende Art von porösen Materialien, die die Eigenschaften von organischen Polymeren und anorganischen Kristallen in sich vereinen und sich durch ein kristallines Gerüst, hohe spezifische Oberflächen, einstellbare poröse Strukturen und vielseitige Nanokanal-Funktionalitäten auszeichnen. Diese vielversprechenden Eigenschaften von MOFs haben die akademische Forschung und ihre Anwendung vielseitig revolutioniert, einschließlich der Photolumineszenz, Katalyse und kompartimentierter Polymerisation. Durch gezielte Funktionalisierung kann die Mikroumgebung von MOF-Nanokanälen mit spezifischen funktionellen Gruppen für individuelle Schlüssel-Schloss-Wechselwirkungen präzise entworfen und maßgeschneidert werden. Darüber hinaus weist die hohe Übergangsmetalldichte, zugängliche katalytische Zentren und die kristallinen Partikel auf MOFs als herausragende heterogene Katalysatoren hin, welche eine vielversprechende Möglichkeit für zukünftige Anwendungen erlauben. Ungeachtet der vorteilhaften Eigenschaften in der Katalyse halten eine hohe Agglomerationstendenz und die schlechte Dispergierbarkeit die potentiellen katalytischen Vorteile bis zu einem gewissen Grad zurück. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination von niederdimensionalen Polymeren mit kristallinen MOFs als robuster und umfassender Ansatz zur Erzielung der bilateralen Vorteile von Polymeren (Flexibilität, Dispergierbarkeit) und MOFs (Stabilität, Kristallinität) gezeigt. Die Verwendung von MOFs für in-situ-Polymerisationen und katalytische Zwecke kann realisiert werden, um verblüffende Polymere in einem einfachen und universellen Prozess zu synthetisieren, um die Anwendbarkeit herkömmlicher ATRP Methoden zu erweitern. MOFs können nicht nur als Gerüst dienen, sondern auch selbst als heterogene Katalysatoren für metall-katalysierte Polymerisationen, bedingt durch thermische Behandlung oder sichtbares Licht, fungieren. Auf der anderen Seite können MOF / Polymer-Komposite durch Oberflächenfunktionalisierung hergestellt werden, welche sich schließlich durch einstellbare Dispergierbarkeit und guter katalytischer Eigenschaften auszeichnen. KW - metal organic framework KW - controlled polymerization KW - environmental response KW - liquid-phase catalysis KW - confined polymerization KW - ATRP KW - visible light photocatalysis KW - metallorganischen Gerüstverbindungen KW - kontrollierte Polymerisation KW - Umweltreaktion KW - Flüssigphasenkatalyse KW - begrenzte Polymerisation KW - ATRP KW - sichtbares Licht Photokatalyse Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414973 ER - TY - THES A1 - Lama, Sandy M. G. T1 - Functionalization of Porous Carbon Materials with Heteroatoms and Application as Supports in Industrial Heterogeneous Catalysis T1 - Funktionalisierung von porösen Kohlenstoffmaterialien mit Heteroatomen und Anwendung als Träger in der industriellen heterogenen Katalyse N2 - Due to a challenging population growth and environmental changes, a need for new routes to provide required chemicals for human necessities arises. An effective solution discussed in this thesis is industrial heterogeneous catalysis. The development of an advanced industrial heterogeneous catalyst is investigated herein by considering porous carbon nano-material as supports and modifying their surface chemistry structure with heteroatoms. Such modifications showed a significant influence on the performance of the catalyst and provided a deeper insight regarding the interaction between the surface structure of the catalyst and the surrounding phase. This thesis contributes to the few present studies about heteroatoms effect on the catalyst performance and emphasizes on the importance of understanding surface structure functionalization in a catalyst in different phases (liquid and gaseous) and for different reactions (hydrogenolysis, oxidation, and hydrogenation/ polymerization). Herein, the heteroatoms utilized for the modifications are hydrogen (H), oxygen (O), and nitrogen (N). The heteroatoms effect on the metal particle size, on the polarity of the support/ the catalyst, on the catalytic performance (activity, selectivity, and stability), and on the interaction with the surrounding phase has been explored. First hierarchical porous carbon nanomaterials functionalized with heteroatoms (N) is synthesized and applied as supports for nickel nanoparticles for hydrogenolysis process of kraft lignin in liquid phase. This reaction has been performed in batch and flow reactors for three different catalysts, two of comparable hierarchical porosity, yet one is modified with N and the other is not, and a third is a prepared catalyst from a commercial carbon support. The reaction production and analyses show that the catalysts with hierarchical porosity perform catalytically much better than in presence of a commercial carbon support with lower surface area. Moreover, the modification with N-heteroatoms enhanced the catalytic performance because the heteroatom modified porous carbon material with nickel nanoparticles catalyst (Ni-NDC) performed highest among the other catalysts. In the flow reactor, Ni-NDC selectively degraded the ether bonds (β-O-4) in kraft lignin with an activity of 2.2 x10^-4 mg lignin mg Ni-1 s-1 for 50 h at 350°C and 3.5 mL min-1 flow, providing ~99 % conversion to shorter chained chemicals (mainly guaiacol derivatives). Then, the functionalization of carbon surface was further studied in selective oxidation of glucose to gluconic acid using < 1 wt. % of gold (Au) deposited on the previously-mentioned synthesized carbon (C) supports with different functionalities (Au-CGlucose, Au-CGlucose-H, Au-CGlucose-O, Au-CGlucoseamine). Except for Au-CGlucose-O, the other catalysts achieved full glucose conversion within 40-120 min and 100% selectivity towards gluconic acid with a maximum activity of 1.5 molGlucose molAu-1 s-1 in an aqueous phase at 45 °C and pH 9. Each heteroatom influenced the polarity of the carbon differently, affecting by that the deposition of Au on the support and thus the activity of the catalyst and its selectivity. The heteroatom effect was further investigated in a gas phase. The Fischer-Tropsch reaction was applied to convert synthetic gas (CO and H2) to short olefins and paraffins using surface-functionalized carbon nanotubes (CNTs) with heteroatoms as supports for ion (Fe) deposition in presence and absence of promoters (Na and S). The results showed the promoted Fe-CNT doped with nitrogen catalyst to be stable up to 180 h and selective to the formation of olefins (~ 47 %) and paraffins (~6 %) with a conversion of CO ~ 92 % at a maximum activity of 94 *10^-5 mol CO g Fe-1 s-1. The more information given regarding this topic can open wide range of applications not only in catalysis, but in other approaches as well. In conclusion, incorporation of heteroatoms can be the next approach for an advanced industrial heterogeneous catalyst, but also for other applications (e.g. electrocatalysis, gas adsorption, or supercapacitors). N2 - Herausforderungen wie Bevölkerungszuwachs und Umweltveränderungen erfordern neue Wege, chemische Substanzen zu erzeugen, um menschliche Anforderungen zu befriedigen. Eine mögliche effektive Lösung dafür, welche in dieser Arbeit diskutiert wird ist die industrielle heterogene Katalyse. Es werden unter dem Einsatz poröser Kohlenstoffträger neue industrielle Katalysatoren untersucht und entwickelt wobei die Oberflächenstruktur dieser Trägermaterialien mit Heteroatomen modifiziert wird. Diese Modifikationen zeigten einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der Katalysatoren und erlaubten Rückschlüsse hinsichtlich der Interaktion zwischen Katalysatoroberfläche und umgebender Phase. Die vorliegende Arbeit trägt zu einigen wenigen existierenden Studien bei die sich mit den Einflüssen solcher Heteroatome auf Katalysatoren beschäftigen. Es wird versucht, die Wichtigkeit dieser Oberflächeneigenschaften in Reaktionen (Hydrogenolyse, Oxidation, Hydrierung/ Polymerisation) in verschiedenen Phasen (flüssig oder gasförmig) zu verstehen. Die für die Modifikationen eingesetzten Heteroatome sind Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N). Ihr Effekt auf die Größe der Metallpartikel, die Polarität der Träger bzw. Katalysatoren, die eigentlichen katalytischen Eigenschaften und die Interaktion mit der umgebenden Phase wurde untersucht. Zuerst wurden hierarchisch poröse Kohlenstoffmaterialien hergestellt, die mit Stickstoff als Heteroatome funktionalisiert wurden. Diese wurden als Trägermaterialien für Nickel-Nanopartikel in der Hydrogenolyse von Kraft Lignin in flüssiger Phase eingesetzt. Diese Reaktion wurde mit drei unterschiedlichen Katalysatoren in Batch- und Flussreaktoren durchgeführt. Zwei der Katalysatoren hatten vergleichbare hierarchische Porosität. Einer davon war mit Heteroatomen funktionalisiert, einer dagegen nicht. Ein dritter Katalysator wurde mit einem kommerziell erhältlichen Kohlenstoffmaterial hergestellt. Die Reaktion zeigte, dass die Katalysatoren mit hierarchischer Porosität deutlich bessere Eigenschaften zeigen als das kommerzielle Trägermaterial mit geringerer Oberfläche. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Modifizierung mit Stickstoffatomen die katalytischen Eigenschaften verbessert, da das modifizierte Kohlenstoffmaterial mit den Nickelpartikeln (Ni-NDC) die besten Ergebnisse aller untersuchten Katalysatoren zeigte. Im Durchflussreaktor wurden von Ni-NDC die Etherbindungen des Kraft Lignins (β-O-4) selektiv mit einer Aktivität von 2.2 x10^-4 mg lignin mg Ni-1 s-1 für 50 h bei 99% Umsatz zu kurzkettigeren Strukturen (hauptsächlich Guajakol-Derivat) gespalten. Außerdem wurde der Einfluss der Funktionalisierung der Kohlenstoffoberfläche in der selektiven Oxidation von Glucose zu Gluconsäure mit 1 Gew.% Gold (Au) auf den vorher angesprochenen Kohlenstoffträgermaterialien mit unterschiedlichen Oberflächenfunktionalitäten (Au-CGlucose, Au-CGlucose-H, Au-CGlucose-O, Au-CGlucoseamine) untersucht. Mit Ausnahme von Au-CGlucose-O erreichten alle Katalysatoren innerhalb von 40-120 min 100% Glucose Umsatz bei 100%iger Selektivität zu Gluconsäure und einer maximalen katalytischen Aktivität von 1.5 molGlucose molAu-1 s-1 in wässriger Phase bei 45°C und pH 9. Die unterschiedlichen Heteroatome wirkten sich unterschiedlich auf die Polarität der Kohlenstoffe und damit auch auf die Abscheidung der Goldpartikel auf die Trägermaterialien und die Katalysatoraktivität und -selektivität aus. Der Einfluss der Heteroatome wurde außerdem in einer Gasphasenreaktion untersucht. Die Fischer-Tropsch Reaktion kam zum Einsatz um Synthesegas (CO und H2) mit Hilfe von Katalysatoren bestehend aus Eisen (Fe) auf Heteroatomfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon nanotubes, CNTs) in Gegenwart und Abwesenheit von Promotoren (Na und S) zu kurzkettigen Olefinen und Paraffinen umzuwandeln. Die Ergebnisse zeigten dass die Fe-CNT Katalysatoren mit Promotoren und stickstoffdotierten Trägern bis zu 180 h stabil waren und Olefine (~ 47 %) sowie Paraffine (~6 %) mit guten Selektivitäten bei einem CO Umsatz von 92% und einer maximalen Aktivität von 94 *10^-5 mol CO gFe-1 s-1 hergestellt werden konnten. Je mehr Informationen zu diesem Thema zur Verfügung gestellt werden, kann dies zu einer großen Bandbreite von Anwendungen nicht nur in der Katalyse, sondern auch in anderen Ansätzen beitragen. Zusammenfassend kann der Einbau von Heteroatomen der nächste Ansatz für einen fortgeschrittenen industriellen heterogenen Katalysator sein, aber auch für andere Anwendungen (z.B. Elektrokatalyse, Gasadsorption oder Superkondensatoren). KW - catalysis KW - carbon material KW - carbon supports KW - glucose oxidation KW - Kraft lignin hydrogenolysis KW - Fischer-Tropsch Synthesis KW - Syngas Hydrogenation KW - gold-carbon catalysts KW - nickel-carbon catalysts KW - iron-carbon nanotube catalysts KW - hierarchical porosity KW - heteroatom modification KW - catalyst functionalization KW - Katalyse KW - Kohlenstoffmaterial KW - Kohlenstoffträger KW - Glukoseoxidation KW - Kraftlignin KW - Hydrogenolyse KW - Fischer-Tropsch-Synthese KW - Syngashydrierung KW - Gold-Kohlenstoff-Katalysatoren KW - Nickel-Kohlenstoff-Katalysatoren KW - Eisen-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Katalysatoren KW - hierarchische Porosität KW - Heteroatom-Modifikation KW - Funktionalisierung von Katalysatoren Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415797 ER - TY - THES A1 - Chaleawlert-Umpon, Saowaluk T1 - Sustainable electrode materials based on lignin T1 - Ligninbasierte nachhaltige Elektrodenmaterialien N2 - The utilization of lignin as renewable electrode material for electrochemical energy storage is a sustainable approach for future batteries and supercapacitors. The composite electrode was fabricated from Kraft lignin and conductive carbon and the charge storage contribution was determined in terms of electrical double layer (EDL) and redox reactions. The important factors at play for achieving high faradaic charge storage capacity contribute to high surface area, accessibility of redox sites in lignin and their interaction with conductive additives. A thinner layer of lignin covering the high surface area of carbon facilitates the electron transfer process with a shorter pathway from the active sites of nonconductive lignin to the current collector leading to the improvement of faradaic charge storage capacity. Composite electrodes from lignin and carbon would be even more sustainable if the fluorinated binder can be omitted. A new route to fabricate a binder-free composite electrode from Kraft lignin and high surface area carbon has been proposed by crosslinking lignin with glyoxal. A high molecular weight of lignin is obtained to enhance both electroactivity and binder capability in composite electrodes. The order of the processing step of crosslinking lignin on the composite electrode plays a crucial role in achieving a stable electrode and high charge storage capacity. The crosslinked lignin based electrodes are promising since they allow for more stable, sustainable, halogen-free and environmentally benign devices for energy storage applications. Furthermore, improvement of the amount of redox active groups (quinone groups) in lignin is useful to enhance the capacity in lithium battery applications. Direct oxidative demethylation by cerium ammonium nitrate has been carried out under mild conditions. This proves that an increase of quinone groups is able to enhance the performance of lithium battery. Thus, lignin is a promising material and could be a good candidate for application in sustainable energy storage devices. N2 - Die Verwendung von Lignin als erneuerbares Ausgangsmaterial für Elektroden ist ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung der nächsten Generation von Batterien und Superkondensatoren. In dieser Arbeit werden Verbundelektroden auf der Basis von Kraft-Lignin und leitfähigem Kohlenstoff hergestellt und getestet. Die Beiträge des Aufbaus einer elektrischen Doppelschicht (EDL) und der Redoxreaktionen zur Kapazität der Elektrode werden diskutiert. Die wichtigsten Faktoren um eine hohe faradaysche Kapazität der aktiven Gruppen in Lignin zu erreichen sind eine große Oberfläche, die Zugänglichkeit der redoxaktiven Gruppen, sowie die Wechselwirkung mit leitfähigen Additiven. Dabei verringert eine dünnere Ligninschicht auf der Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoffs den Elektronentransportweg zwischen den redoxaktiven Gruppen und dem Stromabnehmer und wirkt sich somit positiv auf die faradaysche Kapazität aus. Traditionelle Verbundelektroden enthalten in der Regel fluorierte Bindemittel, was deren Nachhaltigkeit in Frage stellt. Die Verwendung von Glyoxal als Quervernetzer für Lignin stellt eine Alternative zur Herstellung von bindemittelfreien ligninbasierten Verbundelektroden dar. Durch die Quervernetzung wird Lignin mit hohem Molekulargewicht erhalten, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Stabilität der Elektroden auswirkt. Für das Erreichen einer hohen Kapazität spielt allerdings die Reihenfolge der Produktionsschritte eine entscheidende Rolle, was hier auch diskutiert wird. Eine Erhöhung der Anzahl an redoxativen Gruppen, insbesondere Chinon-Funktionalitäten, im Lignin führt darüber hinaus zur Erhöhung der Kapazität in primären Lithiumbatterien. Die direkte oxidative Demethylierung von Phenylethern mit Hilfe von Cerammoniumnitrat wurde in dieser Arbeit unter milden Reaktionsbedingungen durchgeführt und die verbesserte Kapazität in Lithiumbatterien aufgrund der erhöhten Anzahl an redoxaktiven Gruppen aufgezeigt. Abschließend kann Lignin, quervernetzt oder oxidiert, als vielversprechender Wegbereiter für nachhaltige Materialen in der Energiespeicherung angesehen werden. KW - lignin KW - energy storage KW - sustainable energy storage materials KW - Lignin KW - Energiespeicher KW - nachhaltige Energiespeichermaterialien Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411793 ER - TY - THES A1 - Li, Lina T1 - Preparation of novel photoactive materials T1 - Herstellung von neuen photoaktiven Materialien BT - different pre-compositions, post-modifications and improved performance BT - verschiedene Vorzusammensetzungen, Post-Modifikationen und verbesserte Leistung N2 - Photocatalysis is considered significant in this new energy era, because the inexhaustibly abundant, clean, and safe energy of the sun can be harnessed for sustainable, nonhazardous, and economically development of our society. In the research of photocatalysis, the current focus was held by the design and modification of photocatalyst. As one of the most promising photocatalysts, g-C3N4 has gained considerable attention for its eye-catching properties. It has been extensively explored in photocatalysis applications, such as water splitting, organic pollutant degradation, and CO2 reduction. Even so, it also has its own drawbacks which inhibit its further application. Inspired by that, this thesis will mainly present and discuss the process and achievement on the preparation of some novel photocatalysts and their photocatalysis performance. These materials were all synthesized via the alteration of classic g-C3N4 preparation method, like using different pre-compositions for initial supramolecular complex and functional group post-modification. By taking place of cyanuric acid, 2,5-Dihydroxy-1,4-benzoquinone and chloranilic acid can form completely new supramolecular complex with melamine. After heating, the resulting products of the two complex shown 2D sheet-like and 1D fiber-like morphologies, respectively, which maintain at even up to high temperature of 800 °C. These materials cover crystals, polymers and N-doped carbons with the increase of synthesis temperature. Based on their different pre-compositions, they show different dye degradation performances. For CLA-M-250, it shows the highest photocatalytic activity and strong oxidation capacity. It shows not only great photo-performance in RhB degradation, but also oxygen production in water splitting. In the post-modification method, a novel photocatalysis solution was proposed to modify carbon nitride scaffold with cyano group, whose content can be well controlled by the input of sodium thiocyanate. The cyanation modification leads to narrowed band gap as well as improved photo-induced charges separation. Cyano group grafted carbon nitride thus shows dramatically enhanced performance in the photocatalytic coupling reaction between styrene and sodium benzenesulfinate under green light irradiation, which is in stark contrast with the inactivity of pristine g-C3N4. N2 - Die Sonne stellt eine Quelle für unerschöpfliche, saubere und sichere Energie dar, die für eine nachhaltige, ungefährliche und ökonomische Entwicklung unserer Gesellschaft genutzt werden kann, daher wird Photokatalyse heutzutage als äußerst vielversprechend angesehen. Bei der Erforschung der Photokatalyse lag der Fokus auf dem Design und der Modifizierung von Photokatalysatoren. Als einer der vielversprechendsten Photokatalysatoren hat sich g-C3N4 erwiesen. Es wurde ausführlich für Anwendungen wie z.B. Wasserspaltung, den Abbau organischer Schadstoffe und CO2-Reduktion untersucht. Trotzdem hat es auch Nachteile, die eine weitere Anwendung erschweren. Deshalb wird in dieser Arbeit hauptsächlich die Herstellung und Eigenschaften von neuartigen auf auf g-C3N4 basierenden Photokatalysatoren vorgestellt und diskutiert. Diese Materialien wurden mittels Verfahren hergestellt, bei denen die klassische g-C3N4-Herstellungsmethode geändert wurde, wie z.B. durch die Verwendung unterschiedlicher Zusammensetzungen und durch die Modifizierung von funktionellen Gruppen. Im Vergleich zu g-C3N4 weisen diese neu hergestellten Materialien unterschiedliche photokatalytische Eigenschaften auf. KW - photocatalysis KW - Photokatalyse KW - CN materials KW - CN-Materialien KW - supramolecular KW - Supramolekular KW - post-modification KW - Post-Modifikationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410952 ER - TY - THES A1 - Choi, Youngeun T1 - DNA origami structures as versatile platforms for nanophotonics T1 - DNA Origami Struktruen als Vielseitige Plattform für Nanophotonik N2 - Nanophotonics is the field of science and engineering aimed at studying the light-matter interactions on the nanoscale. One of the key aspects in studying such optics at the nanoscale is the ability to assemble the material components in a spatially controlled manner. In this work, DNA origami nanostructures were used to self-assemble dye molecules and DNA coated plasmonic nanoparticles. Optical properties of dye nanoarrays, where the dyes were arranged at distances where they can interact by Förster resonance energy transfer (FRET), were systematically studied according to the size and arrangement of the dyes using fluorescein (FAM) as the donor and cyanine 3 (Cy 3) as the acceptor. The optimized design, based on steady-state and time-resolved fluorometry, was utilized in developing a ratiometric pH sensor with pH-inert coumarin 343 (C343) as the donor and pH-sensitive FAM as the acceptor. This design was further applied in developing a ratiometric toxin sensor, where the donor C343 is unresponsive and FAM is responsive to thioacetamide (TAA) which is a well-known hepatotoxin. The results indicate that the sensitivity of the ratiometric sensor can be improved by simply arranging the dyes into a well-defined array. The ability to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation also provides a strategy to amplify the signal measured from a fluorescent reporter, and was utilized here to develop a reporter for sensing oligonucleotides. By incorporating target capturing sequences and multiple fluorophores (ATTO 647N dye molecules), a reporter for microbead-based assay for non-amplified target oligonucleotide sensing was developed. Analysis of the assay using VideoScan, a fluorescence microscope-based technology capable of conducting multiplex analysis, showed the DNA origami nanostructure based reporter to have a lower limit of detection than a single stranded DNA reporter. Lastly, plasmonic nanostructures were assembled on DNA origami nanostructures as substrates to study interesting optical behaviors of molecules in the near-field. Specifically, DNA coated gold nanoparticles, silver nanoparticles, and gold nanorods, were placed on the DNA origami nanostructure aiming to study surface-enhanced fluorescence (SEF) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) of molecules placed in the hotspot of coupled plasmonic structures. N2 - Nanophotonik bezeichnet die Untersuchung von Licht in Wechselwirkung mit Materie im Nanometermaßstab. Die exakte Kontrolle über den Aufbau und die räumliche Anordnung der beteiligten Komponenten ist ein entscheidender Faktor für die Erforschung der Optik nanoskalierter Systeme. Eine mögliche Lösung bietet die selbstorganisatorische Eigenschaft von DNA-Origami-Nanostrukturen, die im Rahmen dieser Dissertation, insbesondere zur Kopplung verschiedener Farbstoffe bzw. plasmonisch aktiver Nanopartikel, verwendet wurden. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden unterschiedliche Förster-Resonanzenergietransfer- (FRET) Farbstoff-Matrizen, bestehend aus Fluorescein (FAM) als FRET-Donor und Cyanine 3 (Cy 3) als FRET-Akzeptor, hergestellt und nachfolgend hinsichtlich des Einflusses ihrer Gesamtgröße und ihrer Anordnung via statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Daraufhin erfolgte die Weiterentwicklung der ermittelten optimalen Anordnung der Farbstoffe in einen ratiometrischen pH-Sensor, bestehend aus dem pH stabilen Coumarin 343 (C343) als FRET-Donor und dem pH sensitiven FAM als FRET-Akzeptor. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass sich die Sensitivität ratiometrischer Sensoren, insbesondere durch die wohldefinierte Anordnung der beteiligten Farbstoffe in der Matrize, deutlich steigern lassen. Selbige Anordnung konnte auch erfolgreich zur Entwicklung eines Giftstoffsensors, zum Nachweis des Hepatoxins Thioacetamid (TAA), verwendet werden. Die Möglichkeit der Anordnung mehrerer Farbstoffe, unter Vermeidung ungewollter Farbstoff-Aggregation, ermöglicht außerdem die Verstärkung der Signale sogenannter Fluoreszenzreporter. Dies führte, im Rahmen dieser Arbeit, zur erfolgreichen Entwicklung eines auf Mikroperlen basierenden Oligonukleotid-Sensors, welcher ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Zielverstärkung (z.B. durch Polymerase-Kettenreaktion) auskommt. Die anschließende Analyse mittels VideoScan, einer Multiplex-Analyse-Technik basierend auf der Fluoreszenzmikroskopie, ergab deutlich niedrigere Nachweisgrenzen für auf DNA-Origami basierende Reporter im Vergleich zu DNA-Einzelstrang basierenden Reportern. Abschließend erfolgte die Verwendung der DNA-Origamis als Substrat für die präzise räumliche Anordnung verschiedener plasmonisch aktiver Nanopartikel zur Untersuchung des optischen Verhaltens von Zielmolekülen im plasmonischen Nahfeld. Die Untersuchung der oberflächenverstärkten Fluoreszenz (SEF) und oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) von Molekülen im plasmonischer Hotspots erfolgte insbesondere mit Fokus auf den Einfluss der unterschiedlichen Anordnung von Gold-Nanostäbchen, Gold-Nanopartikel, und Silber-Nanopartikel. KW - DNA origami KW - Förster resonance energy transfer KW - plasmonics KW - DNA Origami KW - Förster-Resonanzenergietransfer KW - Plasmonik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421483 ER - TY - THES A1 - Vogel, Stefanie T1 - Sequence dependency of photon and electron induced DNA strand breaks T1 - Sequenzabhängigkeit von photonen-und elektroneninduzierten DNA Strangbrüchen N2 - Deoxyribonucleic acid (DNA) is the carrier of human genetic information and is exposed to environmental influences such as the ultraviolet (UV) fraction of sunlight every day. The photostability of the DNA against UV light is astonishing. Even if the DNA bases have a strong absorption maximum at around 260 nm/4.77 eV, their quantum yield of photoproducts remains very low 1. If the photon energies exceed the ionization energy (IE) of the nucleobases ( ̴ 8-9 eV) 2, the DNA can be severely damaged. Photoexcitation and -ionization reactions occur, which can induce strand breaks in the DNA. The efficiency of the excitation and ionization induced strand breaks in the target DNA sequences are represented by cross sections. If Si as a substrate material is used in the VUV irradiation experiments, secondary electrons with an energy below 3.6 eV are generated from the substrate. This low energy electrons (LEE) are known to induce dissociative electron attachment (DEA) in DNA and with it DNA strand breakage very efficiently. LEEs play an important role in cancer radiation therapy, since they are generated secondarily along the radiation track of ionizing radiation. In the framework of this thesis, different single stranded DNA sequences were irradiated with 8.44 eV vacuum UV (VUV) light and cross sections for single strand breaks (SSB) were determined. Several sequences were also exposed to secondary LEEs, which additionally contributed to the SSBs. First, the cross sections for SSBs depending on the type of nucleobases were determined. Both types of DNA sequences, mono-nucleobase and mixed sequences showed very similar results upon VUV radiation. The additional influence of secondarily generated LEEs resulted in contrast in a clear trend for the SSB cross sections. In this, the polythymine sequence had the highest cross section for SSBs, which can be explained by strong anionic resonances in this energy range. Furthermore, SSB cross sections were determined as a function of sequence length. This resulted in an increase in the strand breaks to the same extent as the increase in the geometrical cross section. The longest DNA sequence (20 nucleotides) investigated in this series, however, showed smaller cross section values for SSBs, which can be explained by conformational changes in the DNA. Moreover, several DNA sequences that included the radiosensitizers 5-Bromouracil (5BrU) and 8-Bromoadenine (8BrA) were investigated and the corresponding SSB cross sections were determined. It was shown that 5BrU reacts very strongly to VUV radiation leading to high strand break yields, which showed in turn a strong sequence-dependency. 8BrA, on the other hand, showed no sensitization to the applied VUV radiation, since almost no increase in strand breakage yield was observed in comparison to non-modified DNA sequences. In order to be able to identify the mechanisms of radiation damage by photons, the IEs of certain DNA sequences were further explored using photoionization tandem mass spectrometry. By varying the DNA sequence, both the IEs depending on the type of nucleobase as well as on the DNA strand length could be identified and correlated to the SSB cross sections. The influence of the IE on the photoinduced reaction in the brominated DNA sequences could be excluded. N2 - Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist als Träger der menschlichen Erbinformation täglich vielen Einflüssen ausgesetzt. Diese Einflüsse können Teil unserer Umwelt sein, wie der ultraviolette (UV) Anteil des Sonnenlichts. Die Photostabilität der DNA gegen UV-Licht ist erstaunlich, denn trotz eines starkes Absorptionsmaximum der DNA-Basen bei etwa 260 nm/4,77 eV, bleibt ihre Quantenausbeute an Photoprodukten sehr gering 1. Überschreiten die Photonenenergien die Ionisationsenergie (IE) der Nukleinbasen ( ̴ 8-9 eV) 2, kann die DNA schwer geschädigt werden. Es treten Anregungs- und Ionisierungsreaktionen auf, die zu Strangbrüchen in der DNA führen. Die Effizienz der induzierten Strangbrüche in den untersuchten DNA-Sequenzen wird durch Wirkungsquerschnitte dargestellt. Wird in den Bestrahlungsexperimenten Silizium als Substratmaterial verwendet, werden aus dem Substrat zusätzliche Sekundärelektronen mit einer Energie unter 3,6 eV erzeugt, die weiteren Schaden an der DNA verursachen. Diese niederenergetischen Elektronen (LEE) sind dafür bekannt, dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) und damit Strangbrüche in der DNA zu erzeugen. LEEs entstehen sekundär entlang des Strahlungsweges von ionisierender Strahlung im biologischen Gewebe, wenn in der Behandlung der Krankheit Krebs Strahlentherapie eingesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Einzelstrang-DNA-Sequenzen mit 8.44 eV Vakuum-UV (VUV) Licht bestrahlt und Wirkungsquerschnitte für Einzel-strangbrüche (SSB) bestimmt. Ein Teil der Sequenzen wurde außerdem sekundär erzeugten LEEs ausgesetzt, die einen zusätzlichen Beitrag zu den SSBs liefern. Als erstes wurde der Wirkungsquerschnitt für SSBs in Abhängigkeit der Nukleinbasen bestimmt. Hierbei weisen sowohl die DNA Sequenzen, die nur ein Sorte an Nukleinbasen besitzen als auch die gemischte Sequenzen sehr ähnliche Werte auf. Durch den zusätzlichen Einfluss der LEEs hat sich wiederum für die DNA Sequenzen mit nur einer Sorte an Nukleinbasen ein stark ausgeprägter Trend gezeigt. Die Polythymin-Sequenz weist den höchsten Wirkungsquerschnitt für SSBs auf, was durch ausgeprägte anionische Resonanzen in diesem Energiebereich begründet werden kann. Des Weiteren wurden Wirkungsquerschnitte für SSBs in Abhängigkeit Sequenzlänge ermittelt. Dabei ergab sich eine Erhöhung der SSBs im gleichen Maße wie die Vergrößerung des geometrischen Wirkungsquerschnitts. Die längste DNA Sequenz (20 Nukleotide), die in dieser Reihe untersucht wurde, zeigte hingegen kleinere Werte für den SSB Wirkungsquerschnitt, was durch Konformationsänderungen in der DNA erklärt werden kann. Einige der untersuchten DNA Sequenzen wurden zusätzlich mit den Radiosensibilisatoren 5-Bromouracil (5BrU) und 8-Bromoadenine (8BrA) modifiziert und entsprechende SSB Wirkungsquerschnitte bestimmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass 5BrU mittels einer hohen Strangbruchausbeute sehr stark auf VUV Strahlung reagiert, wobei das Ausmaß der Reaktion stark sequenzabhängig ist. 8BrA hingegen, weist keine Sensibilisierung gegenüber der verwendeten VUV Strahlung auf, da keine Erhöhung der Strangbruchausbeute gegenüber unmodifizierten DNA Sequenzen ersichtlich ist. Um die Mechanismen der Strahlenschädigung durch Photonen besser einschätzen zu können, wurden zusätzlich die IEs bestimmter DNA Sequenzen mit Hilfe der Photoionisations-Tandem-Massenspektrometrie untersucht. Durch Variation der DNA-Sequenzen konnte sowohl ein Trend der IEs in Abhängigkeit der Nukleinbasen und der DNA-Stranglänge identifiziert und als auch eine Abhängigkeit der Reaktivität von 5BrU von seinem IE in der entsprechenden DNA Sequenz ausgeschlossen werden. Die IE Trends und die Wirkungsquerschnitte für SSBs wurden abschließend in Korrelation gebracht. KW - DNA KW - photo ionization KW - dissociative electron attachment KW - DNA origami KW - radiosensitizer KW - ionization energy KW - tandem mass spectrometry KW - DNS KW - Photoionisation KW - Dissoziative Elektronenanlagerung KW - DNA Origami KW - Radiosensibilisator KW - Ionisierungsenergie KW - Tandemmassenspektrometrie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419669 ER - TY - THES A1 - Behrendt, Felix Nicolas T1 - New bio-based polymers T1 - Neue biobasierte Polymere BT - synthesis and polymerization of cystine-based macrocycles BT - Synthese und Polymerisation von cystinbasierten Makrozyklen N2 - Redox-responsive polymers, such as poly(disulfide)s, are a versatile class of polymers with potential applications including gene- and drug-carrier systems. Their degradability under reductive conditions allows for a controlled response to the different redox states that are present throughout the body. Poly(disulfide)s are typically synthesized by step growth polymerizations. Step growth polymerizations, however, may suffer from low conversions and therefore low molar masses, limiting potential applications. The purpose of this thesis was therefore to find and investigate new synthetic routes towards the synthesis of amino acid-based poly(disulfide)s. The different routes in this thesis include entropy-driven ring opening polymerizations of novel macrocyclic monomers, derived from cystine derivatives. These monomers were obtained with overall yields of up to 77% and were analyzed by mass spectrometry as well as by 1D and 2D NMR spectroscopy. The kinetics of the entropy-driven ring-opening metathesis polymerization (ED-ROMP) were thoroughly investigated in dependence of temperature, monomer concentration, and catalyst concentration. The polymerization was optimized to yield poly(disulfide)s with weight average molar masses of up to 80 kDa and conversions of ~80%, at the thermodynamic equilibrium. Additionally, an alternative metal free polymerization, namely the entropy-driven ring-opening disulfide metathesis polymerization (ED-RODiMP) was established for the polymerization of the macrocyclic monomers. The effect of different solvents, concentrations and catalyst loadings on the polymerization process and its kinetics were studied. Polymers with very high weight average molar masses of up to 177 kDa were obtained. Moreover, various post-polymerization reactions were successfully performed. This work provides the first example of the homopolymerization of endo-cyclic disulfides by ED-ROMP and the first substantial study into the kinetics of the ED-RODiMP process. N2 - Redoxresponsive Polymere, wie etwa Polydisulfide, sind eine vielseitige Klasse von Polymeren, die unter anderem als Gen- und Wirkstoffträgersysteme eingesetzt werden können. Ihre Abbaubarkeit unter reduktiven Bedingungen ermöglicht eine kontrollierte Reaktion auf die verschiedenen Redoxzustände im Körper. Polydisulfide werden jedoch häufig durch Stufenwachstums-polymerisationen synthetisiert. Diese führen oft zu niedrigen Umsätzen und daher zu niedrigen molaren Massen. Das Ziel dieser Arbeit war daher neue Synthesewege für aminosäurebasierte Polydisulfide zu finden und zu untersuchen. Diese Wege beinhalteten entropiegetriebene ringöffnende Polymerisationen von neuen makrozyklischen Monomeren, auf der Basis von Cystin-Derivaten. Diese Monomere konnten mit einer Gesamtausbeute von bis zu 77% synthetisiert werden und wurden mit Massenspektrometrie sowie mit 1D- und 2D-NMR-Spektroskopie analysiert. Die Kinetik der entropiegetriebenen ringöffnenden Metathese Polymerisation (ED-ROMP) wurde im Hinblick auf Temperatur, Monomerkonzentration und Katalysatormenge sorgfältig untersucht. Durch Optimierungen konnten Polydisulfide mit gewichtsmittleren Molmassen von bis zu 80 kDa und Umsätzen von ~80%, im thermodynamischen Gleichgewicht synthetisiert werden. Zusätzlich wurde eine alternative metallfreie Polymerisation, die entropiegetriebene ringöffnende Disulfidmetathese Polymerisation (ED-RODiMP), für die Polymerisation der makrozyklischen Monomere etabliert. Die Auswirkungen verschiedener Lösungsmittel, Konzentrationen und Katalysatorkonzentrationen auf die Kinetik dieses Polymerisationsprozesses wurden untersucht. Hierdurch wurden Polymere mit sehr hohen gewichtsmittleren Molmassen von bis zu 177 kDa erhalten. Darüber hinaus wurden verschiedene Postpolymerisationsreaktionen erfolgreich durchgeführt. Diese Arbeit liefert das erste Beispiel für die Homopolymerisation endo-zyklischer Disulfide durch ROMP und eine erste substanzielle Studie der Kinetik des ED-RODiMP-Prozesses. KW - polymers KW - ADMET KW - ROMP KW - disulfide KW - macrocycles KW - ring-opening polymerization KW - amino acids KW - Polymere KW - ADMET KW - ROMP KW - Disulfide KW - Makrozyklen KW - ringöffnende Polymerisation KW - Aminosäuren Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418316 ER -