TY - THES A1 - Eisold, Ursula T1 - Cumarin- und DBD-Farbstoffe als Fluoreszenzsonden T1 - Coumarin and dbd dyes as fluorescent probes BT - Fluoreszenzimmunassays und Förster-Resonanz-Energietransfer BT - fluorescence immunoassays and Foerster resonance energy transfer N2 - In dieser Arbeit werden drei Themen im Zusammenhang mit den spektroskopischen Eigenschaften von Cumarin- (Cou) und DBD-Farbstoffen ([1,3]Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol) behandelt. Der erste Teil zeigt die grundlegende spektroskopische Charakterisierung von 7-Aminocumarinen und ihre potentielle Anwendung als Fluoreszenzsonde für Fluoreszenzimmunassays. Im zweiten Teil werden mit die photophysikalischen Eigenschaften der Cumarine genutzt um Cou- und DBD-funktionalisierte Oligo-Spiro-Ketal-Stäbe (OSTK) und ihre Eigenschaften als Membransonden zu untersuchen. Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Synthese und der Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen als Referenzsysteme für schwefelfunktionalisierte OSTK-Stäbe und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel. Immunochemische Analysemethoden sind in der klinischen Diagnostik sehr erfolgreich und werden heute auch für die Nahrungsmittelkontrolle und Überwachung von Umweltfragen mit einbezogen. Dadurch sind sie von großem Interesse für weitere Forschungen. Unter den verschiedenen Immunassays zeichnen sich lumineszenzbasierte Formate durch ihre herausragende Sensitivität aus, die dieses Format für zukünftige Anwendungen besonders attraktiv macht. Die Notwendigkeit von Multiparameterdetektionsmöglichkeiten erfordert einen Werkzeugkasten mit Farbstoffen, um die biochemische Reaktion in ein optisch detektierbares Signal umzuwandeln. Hier wird bei einem Multiparameteransatz jeder Analyt durch einen anderen Farbstoff mit einer einzigartigen Emissionsfarbe, die den blauen bis roten Spektralbereich abdecken, oder eine einzigartige Abklingzeit detektiert. Im Falle eines kompetitiven Immunassayformats wäre für jeden der verschiedenen Farbstoffe ein einzelner Antikörper erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird ein leicht modifizierter Ansatz unter Verwendung einer Cumarineinheit, gegen die hochspezifische monoklonale Antikörper (mAb) erzeugt wurden, als grundlegendes Antigen präsentiert. Durch eine Modifikation der Stammcumarineinheit an einer Position des Moleküls, die für die Erkennung durch den Antikörper nicht relevant ist, kann auf den vollen Spektralbereich von blau bis tiefrot zugegriffen werden. In dieser Arbeit wird die photophysikalische Charakterisierung der verschiedenen Cumarinderivate und ihrer entsprechenden Immunkomplexe mit zwei verschiedenen, aber dennoch hochspezifischen, Antikörpern präsentiert. Die Cumarinfarbstoffe und ihre Immunkomplexe wurden durch stationäre und zeitaufgelöste Absorptions- sowie Fluoreszenzemissionsspektroskopie charakterisiert. Darüber hinaus wurden Fluoreszenzdepolarisationsmessungen durchgeführt, um die Daten zu vervollständigen, die die verschiedenen Bindungsmodi der beiden Antikörper betonten. Im Gegensatz zu häufig eingesetzten Nachweissystemen wurde eine massive Fluoreszenzverstärkung bei der Bildung des Antikörper-Farbstoffkomplexes bis zu einem Faktor von 50 gefunden. Wegen der leichten Emissionsfarbenänderung durch das Anpassen der Cumarinsubstitution in der für die Antigenbindung nicht relevanten Position des Elternmoleküls, ist eine Farbstoff-Toolbox vorhanden, die bei der Konstruktion von kompetitiven Multiparameterfluoreszenzverstärkungsimmunassays verwendet werden kann. Oligo-Spiro-Thio-Ketal-Stäbe werden aufgrund ihres hydrophoben Rückgrats leicht in Doppellipidschichten eingebaut und deshalb als optische Membransonde verwendet. Wegen ihres geringen Durchmessers wird nur eine minimale Störung der Doppellipidschicht verursacht. Durch die Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen sind neuartige Förster-Resonanz-Energietransfersonden mit hoch definierten relativen Orientierungen der Übergangsdipolmomente der Donor- und Akzeptorfarbstoffe zugänglich und macht die Klasse der OSTK-Sonden zu einem leistungsstarken, flexiblen Werkzeugkasten für optische Biosensoranwendungen. Mit Hilfe von stationären und zeitaufgelösten Fluoreszenzexperimenten wurde der Einbau von Cumarin- und DBD markierten OSTK-Stäben in großen unilamellaren Vesikeln untersucht und die Ergebnisse durch Fluoreszenzdepolarisationsmessungen untermauert. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel. Die farbstoffmarkierten Polyproline konnten erfolgreich hergestellt werden. Es zeigten sich deutlich Einflüsse auf die spektroskopischen Eigenschaften der Farbstoffe durch die Bindung an die Polyprolinhelix. Die Kopplung an die 5 nm großen AuNP konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Erfahrungen, die durch die Kopplung der Polyproline an die AuNP, gewonnen wurde, ist die Basis für eine Einzelmolekül-AFM-FRET-Nanoskopie mit OSTK-Stäben. N2 - In this thesis, three topics are discussed in connection with the spectroscopic properties of coumarin (Cou) and DBD ([1,3]dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxole) dyes. The first part shows the basic spectroscopic characterization of 7-aminocumarins and their advantage as a fluorescence probe for fluorescence immunoassays. In the second part, the photophysical properties of the coumarins are used to investigate Cou- and DBD-functionalized oligo-spiro-ketal rods (OSTK) and their properties as membrane probes. The last part deals with the synthesis and characterization of Cou- and DBD-functionalized polyprolines as reference systems for sulfur-functionalized OSTK rods and their coupling to gold nanoparticles. The fact that immunochemical analysis methods are very successful in clinical diagnostics and are now also included for food control and monitoring of environmental questions they are of great interest for further research. Among the various immunoassays, luminescence-based formats are distinguished by their outstanding sensitivity, which makes this format particularly attractive for future applications. The need for multiparameter detection capabilities requires a toolbox of dyes to convert the biochemical response to an optically detectable signal. Here, in the case of a multiparameter approach, each analyte is detected by another dye with a unique emission color which covers the blue to red spectral range or a unique decay time. In the case of a competitive immunoassay format, a single antibody would be required for each of the different dyes. In the present work, a slightly modified approach is presented as a basic antigen using a coumarin moiety against which highly specific antibodies have been produced. By modifying the parent coumarin moiety at a site of the molecule which is not relevant for recognition by the antibody, the full spectral range from blue to deep red can be accessed. This work presents the photophysical characterization of the different cumarine derivatives and their corresponding immuno complexes with two different but nevertheless highly specific monoclonal antibodies (mAb). The coumarin dyes and their immunocomplexes were characterized by steady-state time-resolved absorption and fluorescence emission spectroscopy. In addition, fluorescence depolarization measurements were performed to complete the data emphasizing the different binding modes of the two antibodies. In contrast to frequently used detection systems, a massive fluorescence enhancement was found in the formation of the antibody dye complex up to a factor of 50. Because of the slight change in the emission by adjusting the coumarin substitution in the position of the parent molecule which is not relevant for the antigen binding, a dye toolbox which can be used for the construction of competitive multiparameter fluorescence enhancement immunoassays has been created. Due to their hydrophobic backbone, oligospirothioketal rods (OSTK) are easily incorporated into lipid bilayers and are therefore used as an optical membrane probe. Because of their narrow diameter, only a minimal disturbance of the lipid bilayer is caused. By labeling with fluorescent dyes, novel Förster resonance energy transfer probes are available with highly defined relative orientations of the transition dipole moments of the donor and acceptor dyes, making the class of the OSTK probes into a powerful, flexible toolbox for optical biosensor applications. The incorporation of cumarin and [1,3]-dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol-labeled OSTK rods in large unilamellar vesicles was investigated using steady-state and time-resolved fluorescence experiments and the results were confirmed by fluorescence depolarization measurements. The last part of this work deals with the synthesis and characterization of Cou- and DBD-functionalized polyprolines and their coupling to gold nanoparticles. The dye-labeled polyprolines were successfully synthesized. Influences on the spectroscopic properties of the dyes by binding to the polyproline helix were found. The coupling to 5 nm AuNP was successfully carried out. The experience gained by the coupling of the polyprolins to the AuNP can be used as a good basis for the investigation of a single molecule FRET AFM nanoscopy using OSTK rods. KW - FRET KW - Förster-Resonanz-Energie-Transfer KW - Förster resonance energy transfer KW - Origo-Spiro-Thio-Ketal-Stäbe KW - oligo spiro thio ketal rods KW - FRET Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-405833 ER - TY - THES A1 - Jordan, Thomas T1 - CxNy-materials from supramolecular precursors for “All-Carbon” composite materials T1 - CxNy-Materialien aus supramolekularen Precursoren für „All-Carbon“-Komposit-Materialien N2 - Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units. In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction. The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process. In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments. The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂. Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications. N2 - Eine interessante Materialklasse für technologische Anwendungen sind Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien, die sich durch Ungiftigkeit und Umweltfreundlichkeit bei gleichzeitig interessanten katalytischen Eigenschaften auszeichnen. Die Vielseitigkeit dieser Materialkasse basiert auf der Möglichkeit ihre katalytischen und elektronischen Eigenschaften über Stickstoff-Anteil und –Funktionalitäten zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf Komposite zwischen verschiedenen Kohlenstoff/Stickstoff-Derivaten, für welche aufgrund ihrer unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften die Bildung elektronischer Heteroübergänge erwartet werden kann. Solche Komposite sind vielversprechende Materialien für die Erzeugung von Wasserstoff durch die photokatalytische Spaltung von Wasser. Für die eine Komponente des Komposits wurde das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ eingesetzt, welches durch seine elektronische Struktur und Stabilität ein geeignetes Material für die photokatalytische Wasserspaltung ist. Für die andere Komponente des Komposits wurde eine erst kürzlich erstmalig beschriebene Kohlenstoff/Stickstoff Verbindung eingesetzt, das Kohlenstoffnitrid C₂N. Für dieses Komposit ist eine im Vergleich zu den einzelnen Komponenten stark erhöhte photokatalytische Aktivität zu erwarten. Neben dem Ziel der Herstellung eines solchen Komposits, fokussierte sich diese Arbeit auch darauf, neue Wege zur Synthese und Strukturierung der einzelnen Komponenten zu entwickeln. Dies sollte über supramolekulare Präkursor-Komplexe erfolgen, mit welchen eine erhöhte Einflussnahme auf Karbonisierungsprozesse erlangt werden kann. Im ersten Teil der Arbeit, welcher auf das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ fokussiert war, wurde gezeigt wie die photokatalytische Aktivität dieser Komponente durch den gezielten Einbau von Defekten erhöht werden kann. Dies wurde über einen durch Koffein modifizierten supramolekularen Komplex als Präkursor erreicht. Die erhöhte photokatalytische Aktivität wurde über Farbstoff-Zersetzung nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit war auf die Herstellung und Strukturierung der neuartigen Verbindung C₂N fokussiert. Hier wurde gezeigt, wie eine eutektische Mischung zwischen Hexaketocyclohexan und Harnstoff als C₂N-Präkursor mit dem Polysaccharid Chitosan strukturiert werden kann. Hierbei wurden poröse Stickstoffhaltige Kohlenstoff-Monolithen und -Perlen erhalten, die eine hohe Adsorptionswärme für die CO₂-Adsorption zeigten. Weiterhin wurde ein neuartiger Präkursor für C₂N vorgestellt, eine organisch-kristalline Verbindung zwischen Quadratsäure und Harnstoff. Durch Karbonisation dieser Verbindung bei 550 °C wurde ein Material mit einer Zusammensetzung von C₂N und einer ungewöhnlichen, schichtartigen Morphologie erhalten. Über eine eutektische Salzschmelze mit Zinkchlorid, konnte mit diesem Präkursor-System auch mikroporöser C₂N-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 865 m²/g hergestellt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Herstellung des g-C₃N₄/C₂N-Komposits versucht, über die Selbstassemblierung von kolloidal dispergierten g-C₃N₄- und C₂N-Nanopartikeln. Die Nanopartikel wurden über Ultraschall-Behandlungen von Dispersionen dieser Komponenten hergestellt. Die erhaltenen Komposite zeigten eine hohe Aktivität zur photokatalytischen Wasserspaltung, wobei dies eher auf die hohe Oberfläche der Nanopartikel als auf ihre Zusammensetzung zurückgeführt wurde. Im Hinblick auf mögliche Alternativen zur Kompositherstellung, wurden erste Experimente zu höher konzentrierten kolloidalen Dispersionen von C₂N in dem organischen Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon durchgeführt. Zusammenfassend, die Ergebnisse die in dieser Arbeit erhalten wurden, liefern einen wertvollen Beitrag zur Synthese und Strukturierung von Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien sowie deren Anwendungen im Bereich alternative Energien. KW - carbon nitrides KW - supramolecular chemistry KW - porous materials KW - composite materials KW - photocatalysis KW - Kohlenstoffnitride KW - supramolekulare Chemie KW - poröse Materialien KW - Komposite KW - Photokatalyse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398855 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 - TY - THES A1 - Dippel, Sandor T1 - Development of functional hydrogels for sensor applications T1 - Entwicklung funktionalisierter Hydrogele für Sensor Anwendungen N2 - In this work, a sensor system based on thermoresponsive materials is developed by utilizing a modular approach. By synthesizing three different key monomers containing either a carboxyl, alkene or alkyne end group connected with a spacer to the methacrylic polymerizable unit, a flexible copolymerization strategy has been set up with oligo ethylene glycol methacrylates. This allows to tune the lower critical solution temperature (LCST) of the polymers in aqueous media. The molar masses are variable thanks to the excurse taken in polymerization in ionic liquids thus stretching molar masses from 25 to over 1000 kDa. The systems that were shown shown to be effective in aqueous solution could be immobilized on surfaces by copolymerizing photo crosslinkable units. The immobilized systems were formulated to give different layer thicknesses, swelling ratios and mesh sizes depending on the demand of the coupling reaction. The coupling of detector units or model molecules is approached via reactions of the click chemistry pool, and the reactions are evaluated on their efficiency under those aspects, too. These coupling reactions are followed by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) to judge efficiency. With these tools at hand, Salmonella saccharides could be selectively detected by SPR. Influenza viruses were detected in solution by turbidimetry in solution as well as by a copolymerized solvatochromic dye to track binding via the changes of the polymers’ fluorescence by said binding event. This effect could also be achieved by utilizing the thermoresponsive behavior. Another demonstrator consists of the detection system bound to a quartz surface, thus allowing the virus detection on a solid carrier. The experiments show the great potential of combining the concepts of thermoresponsive materials and click chemistry to develop technically simple sensors for large biomolecules and viruses. N2 - Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Sensorsystemen für biologische Analyten wie Bakterien und Viren. Die Sensoren beruhen auf thermoresponsiven Polymeren und die Entwicklung wird Schritt für Schritt ausgehend von der Monomersynthese dargelegt. Die Grundidee ist es alle Einzelschritte so modular wie möglich zu halten. Die Kopplungseinheiten für die späteren Erkennungsgruppen bestehen aus Carboxyl, Alken und Alkinfunktionalitäten, die zuerst mit einem Ethylenglycolspacer mit variabler Länge verknüpft werden und dann mit der polymerisierbaren Methylmethacrylatgruppe versehen werden. Diese koppelbaren Monomere werden mit Di- oder (Oligoethylenglycol)methacrylaten copolymerisiert. Je nach Verhältnis ist so auch die untere kritische Entmischungstemperatur (LCST) einstellbar. Mit der Erweiterung der Polymerisationstechnik um ionische Flüssigkeiten als Lösemittel lassen sich Molmassen von 25 bis über 1000 kDa einstellen. Um die Polymere funktionell zu erweitern, lassen sich auch benzophenonhaltige Monomere zur Vernetzung oder Immobilisierung copolymerisieren. Naphthalsäureimidhaltige Monomere wiederum dienen als Signaleinheit, da sie durch Verändern der Polarität ihrer Umgebung solvatochrom reagieren. Durch Aufschleudern und UV-Vernetzen lassen sich Gelschichten mit guter Schichtdickenkontrolle herstellen. Dabei sind die Substrate nur auf den jeweiligen Zweck beschränkt. Dank des Baukastenprinzips kann auch die Maschenweite oder der Quellgrad der Gele eingestellt werden. Die Polymere oder Hydrogele werden mit Hilfe von effizienten Reaktionen swe sogenannten „Click Chemie“ umgesetzt und die Reaktionen werden durchleuchtet, ob sie diesen Ansprüchen gerecht werden. Je nach Möglichkeit wird das Anknüpfen mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie(SPR) verfolgt, so wie zum Beispiel die Kopplung eines Phagen-Oberflächenproteins und das selektive Binden eines Membransaccharids des Salmonellen Bakteriums. Influenza Viren werden selektiv mit Hilfe eines Erkennungspeptids gebunden und mit Hilfe von Trübungsspektroskopie bzw. dem thermoresponsiven Verhalten des Trägerpolymers nachgewiesen. Ein weiterer dargelegter Ansatz ist das Nachweisen von geringen Virenkonzentrationen mit Hilfe eines Hydrogels oder von Polymeren in Lösung, die jeweils mit einem solvatochromen Farbstoff ausgestattet sind, der auf die Umgebungsänderung durch den Virus reagiert. Die Experimente zeigen das große Potential von geschickt kombinierten thermoresponsiven Materialien, die mittels Funktionalisierung durch Click-Chemie zu technisch einfachen Nachweissystemen für Biomoleküle und sogar ganze Zellen entwickelt werden können. KW - biosensors KW - polymer synthesis KW - lower critical solution temperature KW - surface modification KW - smart materials KW - Biosensoren KW - Polymersynthese KW - untere kritische Entmischungstemperatur KW - schaltbare Materialien Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398252 ER - TY - THES A1 - Zühlke, Martin T1 - Elektrosprayionisation Ionenmobilitätsspektrometrie T1 - Electrospray ionization Ion mobility spectrometry BT - Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung zur HPLC-Detektion und zum Reaktionsmonitoring BT - development, characterization and application for HPLC detection and reaction monitoring N2 - Die Elektrosprayionisation (ESI) ist eine der weitverbreitetsten Ionisationstechniken für flüssige Pro-ben in der Massen- und Ionenmobilitäts(IM)-Spektrometrie. Aufgrund ihrer schonenden Ionisierung wird ESI vorwiegend für empfindliche, komplexe Moleküle in der Biologie und Medizin eingesetzt. Überdies ist sie allerdings für ein sehr breites Spektrum an Substanzklassen anwendbar. Die IM-Spektrometrie wurde ursprünglich zur Detektion gasförmiger Proben entwickelt, die hauptsächlich durch radioaktive Quellen ionisiert werden. Sie ist die einzige analytische Methode, bei der Isomere in Echtzeit getrennt und über ihre charakteristische IM direkt identifiziert werden können. ESI wurde in den 90ger Jahren durch die Hill Gruppe in die IM-Spektrometrie eingeführt. Die Kombination wird bisher jedoch nur von wenigen Gruppen verwendet und hat deshalb noch ein hohes Entwick-lungspotential. Ein vielversprechendes Anwendungsfeld ist der Einsatz in der Hochleistungs-flüssigkeitschromatographie (HPLC) zur mehrdimensionalen Trennung. Heutzutage ist die HPLC die Standardmethode zur Trennung komplexer Proben in der Routineanalytik. HPLC-Trennungsgänge sind jedoch häufig langwierig und der Einsatz verschiedener Laufmittel, hoher Flussraten, von Puffern, sowie Laufmittelgradienten stellt hohe Anforderungen an die Detektoren. Die ESI-IM-Spektrometrie wurde in einigen Studien bereits als HPLC-Detektor eingesetzt, war dort bisher jedoch auf Flussratensplitting oder geringe Flussraten des Laufmittels beschränkt. In dieser kumulativen Doktorarbeit konnte daher erstmals ein ESI IM-Spektrometer als HPLC-Detektor für den Flussratenbereich von 200-1500 μl/min entwickelt werden. Anhand von fünf Publi-kationen wurden (1) über eine umfassende Charakterisierung die Eignung des Spektrometers als HPLC-Detektor festgestellt, (2) ausgewählte komplexe Trenngänge präsentiert und (3) die Anwen-dung zum Reaktionsmonitoring und (4, 5) mögliche Weiterentwicklungen gezeigt. Erfolgreich konnten mit dem selbst-entwickelten ESI IM-Spektrometer typische HPLC-Bedingungen wie Wassergehalte im Laufmittel von bis zu 90%, Pufferkonzentrationen von bis zu 10 mM, sowie Nachweisgrenzen von bis zu 50 nM erreicht werden. Weiterhin wurde anhand der komplexen Trennungsgänge (24 Pestizide/18 Aminosäuren) gezeigt, dass die HPLC und die IM-Spektrometrie eine hohe Orthogonalität besitzen. Eine effektive Peakkapazität von 240 wurde so realisiert. Auf der HPLC-Säule koeluierende Substanzen konnten über die Driftzeit getrennt und über ihre IM identifi-ziert werden, sodass die Gesamttrennzeiten erheblich minimiert werden konnten. Die Anwend-barkeit des ESI IM-Spektrometers zur Überwachung chemischer Synthesen wurde anhand einer dreistufigen Reaktion demonstriert. Es konnten die wichtigsten Edukte, Zwischenprodukte und Produkte aller Stufen identifiziert werden. Eine quantitative Auswertung war sowohl über eine kurze HPLC-Vortrennung als auch durch die Entwicklung eines eigenen Kalibrierverfahrens, welches die Ladungskonkurrenz bei ESI berücksichtigt, ohne HPLC möglich. Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei Weiterentwicklungen des Spektrometers präsentiert. Eine Möglichkeit ist die Reduzierung des Drucks in den intermediären Bereich (300 - 1000 mbar) mit dem Ziel der Verringerung der benötigten Spannungen. Mithilfe von Streulichtbildern und Strom-Spannungs-Kurven wurden für geringe Drücke eine verminderte Freisetzung der Analyt-Ionen aus den Tropfen festgestellt. Die Verluste konnten jedoch über höhere elektrische Feldstärken ausgeglichen werden, sodass gleiche Nachweisgrenzen bei 500 mbar und bei 1 bar erreicht wurden. Die zweite Weiterentwicklung ist ein neuartiges Ionentors mit Pulsschaltung, welches eine Verdopplung der Auflösung auf bis zu R > 100 bei gleicher Sensitivität ermöglichte. Eine denkbare Anwendung im Bereich der Peptidanalytik wurde mit beachtlichen Auflösungen der Peptide von R = 90 gezeigt. N2 - Electrospray ionization (ESI) is one of the most widespread ionization techniques for liquid samples in mass and ion mobility (IM) spectrometry. Due to its gentle ionization, ESI is often used for sensitive, complex molecules in biology and medicine. However, it is also applicable to a wide range of substance classes. IM spectrometry was originally developed for the detection of gaseous samples, which are mainly ionized by radioactive sources. It is the only analytical method in which isomers can be separated in real time and directly identified by their characteristic IM. ESI was introduced to IM spectrometry by the Hill Group in the 90s. So far, the combination was only used by a limited number of groups and therefore there is still a large development potential. A highly promising field of application is highperformance liquid chromatography (HPLC) for multidimensional separations. At present, HPLC is the standard method for the separation of complex samples in routine analysis. However, HPLC separations are often time-consuming and the use of different solvents, high flow rates, buffers, as well as solvent gradients impose high demands on the detectors. ESI IM spectrometry was already used as an HPLC detector in a number of studies. However, these studies were restricted to splitting or low flow rates of the mobile phase. In this cumulative thesis, an ESI IM spectrometer was developed as an HPLC detector for the flow rate range of 200-1500 μl/min for the first time. Based on five publications, (1) the suitability of the spectrometer as an HPLC detector was comprehensively characterized, (2) selected complex separations are presented, and (3) the application to the reaction monitoring as well as (4, 5) possible further developments are shown. With the in-house developed ESI IM spectrometer, typical HPLC conditions such as water contents in the mobile phase of up to 90%, buffer concentrations of up to 10 mM, as well as detection limits of up to 50 nM, were achieved successfully. Furthermore, on the basis of a complex separation (24 pesticides/18 amino acids), it could be demonstrated that HPLC and IM spectrometry possess a high degree of orthogonality. An effective peak capacity of 240 was thus realized. Substances coeulating on the HPLC column could be separated in the drift time and were identified by their IM. Thus, the overall separation times could be significantly reduced. The applicability of the ESI IM spectrometer for the monitoring of chemical syntheses was demonstrated for a three-stage reaction. The main starting materials, intermediates and products of all stages could be identified. A quantitative evaluation was possible both by means of a short HPLC pre-separation as well as by a newly developed calibration procedure, which takes charge competition during ESI into account, without HPLC. In the second part of the thesis, two further developments of the spectrometer are presented. One possibility is a reduction of the pressure to the intermediate range (300 - 1000 mbar) with the aim of reducing the required voltages. With the help of scattered light images and current-voltage curves, a reduced release of analyte ions from the droplets was determined at low pressures. However, these losses could be compensated for by higher electric field strengths. Therefore, the same detection limits were achieved at 500 mbar and at 1 bar. The second development is a novel ion gate with pulse switching, which allows a doubling of the resolution up to R > 100 with equal sensitivity. A possible application in the field of peptide analysis was demonstrated, achieving a considerable resolutions of R = 90 for the peptides. KW - HPLC KW - HPLC KW - Ionenmobilitätsspektrometrie KW - Elektrosprayionisation KW - ion mobility spectrometry KW - electrospray ionization (ESI) Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407452 ER - TY - THES A1 - Heinke, David T1 - Entwicklung biokompatibler superparamagnetischer Nanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging T1 - Development of biocompatible and superparamagnetic nanoparticles for use as in vivo diagnostics especially in magnetic particle imaging N2 - Magnetische Eisenoxidnanopartikel werden bereits seit geraumer Zeit erfolgreich als MRT-Kontrastmittel in der klinischen Bildgebung eingesetzt. Durch Optimierung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel kann die Aussagekraft von MR-Aufnahmen verbessert und somit der diagnostische Wert einer MR-Anwendung weiter erhöht werden. Neben der Verbesserung bestehender Verfahren wird die bildgebende Diagnostik ebenso durch die Entwicklung neuer Verfahren, wie dem Magnetic Particle Imaging, vorangetrieben. Da hierbei das Messsignal von den magnetischen Nanopartikeln selbst erzeugt wird, birgt das MPI einen enormen Vorteil hinsichtlich der Sensitivität bei gleichzeitig hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Da es aktuell jedoch keinen kommerziell vertriebenen in vivo-tauglichen MPI-Tracer gibt, besteht ein dringender Bedarf an geeigneten innovativen Tracermaterialien. Daraus resultierte die Motivation dieser Arbeit biokompatible und superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging zu entwickeln. Auch wenn der Fokus auf der Tracerentwicklung für das MPI lag, wurde ebenso die MR-Performance bewertet, da geeignete Partikel somit alternativ oder zusätzlich als MR-Kontrastmittel mit verbesserten Kontrasteigenschaften eingesetzt werden könnten. Die Synthese der Eisenoxidnanopartikel erfolgte über die partielle Oxidation von gefälltem Eisen(II)-hydroxid und Green Rust sowie eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation in einem Hydrogel. Mit der partiellen Oxidation von Eisen(II)-hydroxid und Green Rust konnten erfolgreich biokompatible und über lange Zeit stabile Eisenoxidnanopartikel synthetisiert werden. Zudem wurden geeignete Methoden zur Formulierung und Sterilisierung etabliert, wodurch zahlreiche Voraussetzungen für eine Anwendung als in vivo-Diagnostikum geschaffen wurden. Weiterhin ist auf Grundlage der MPS-Performance eine hervorragende Eignung dieser Partikel als MPI-Tracer zu erwarten, wodurch die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorangetrieben werden könnte. Die Bestimmung der NMR-Relaxivitäten sowie ein initialer in vivo-Versuch zeigten zudem das große Potential der formulierten Nanopartikelsuspensionen als MRT-Kontrastmittel. Die Modifizierung der Partikeloberfläche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen, wodurch das mögliche Anwendungsspektrum maßgeblich erweitert wurde. Im zweiten Teil wurden Partikel durch eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation im Hydrogel, wobei es sich um eine bioinspirierte Modifikation der klassischen Kopräzipitation handelt, synthetisiert, wodurch Partikel mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von 24 nm generiert werden konnten. Die Bestimmung der MPS- und MR-Performance elektrostatisch stabilisierter Partikel ergab vielversprechende Resultate. In Vorbereitung auf die Entwicklung eines in vivo-Diagnostikums wurden die Partikel anschließend erfolgreich sterisch stabilisiert, wodurch der kolloidale Zustand in MilliQ-Wasser über lange Zeit aufrechterhalten werden konnte. Durch Zentrifugation konnten die Partikel zudem erfolgreich in verschiedene Größenfraktionen aufgetrennt werden. Dies ermöglichte die Bestimmung der idealen Aggregatgröße dieses Partikelsystems in Bezug auf die MPS-Performance. N2 - Magnetic nanoparticles have long been successfully implemented in the clinic as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Through optimization of the nanoparticles’ magnetic properties, an improvement in the resulting diagnostic images can be achieved, which in turn increases the diagnostic value of the MRI procedure. The advancement of diagnostic imaging is brought about not only through the improvement of established diagnostic techniques, but also through the development of new methodologies such as Magnetic Particle Imaging (MPI). In MPI, the measured signal arises directly from the magnetic particles and, thus, the technique holds great promise in terms of sensitivity and spatial resolution. Since there are currently no commercially available MPI tracers for in vivo use, the development of optimal tracer materials that are biocompatible and, thus, suitable for in vivo application, is becoming increasingly important. Therefore, the aim of this work was to develop biocompatible superparamagnetic iron oxide nanoparticles for application as an in vivo diagnostic agent in particular for MPI. Even though the focus lay on the development of an MPI tracer, the MR performance of the generated magnetic nanoparticles was also addressed, since such particles can be also be used as an MRI contrast agent with improved contrast efficacy. Synthesis of the superparamagnetic iron oxide nanoparticles was performed either via partial oxidation of precipitated iron (II) hydroxide and green rust or through a diffusion-controlled co-precipitation reaction in a hydrogel. The partial oxidation synthetic route gave rise to biocompatible and colloidally stable iron oxide nanoparticles. Furthermore, suitable methods for the formulation and sterilization of these particles were developed, enabling many of the prerequisites for successful in vivo application to be addressed. The resulting outstanding magnetic particle spectra (MPS) performance of the synthesized nanoparticles enables their suitability as an effective MPI tracer, assisting the advancement of the MPI technology. Moreover, the MR relaxivity values of the particles as well as results obtained from a preliminary in vivo MRI experiment revealed the high potential of the formulated nanoparticle suspensions for application as MRI contrast agents. In addition, chemical modification of the particle surface was performed, which enables the fabrication of target-specific nanoparticles as well as magnetic labeling of certain cell types e.g. stem cells. Nanoparticle synthesis via a diffusion-controlled co-precipitation strategy in a hydrogel, which is a bioinspired modification of the classical co-precipitation reaction, resulted in particles with a mean crystal diameter of 24 nm. Measurement of the MPS and MR performances of such electrostatically-stabilized particles revealed promising results. So as to promote the development of these particles for use as in vivo diagnostic agents, the particles were sterically stabilized and were found to be colloidally stable on the long-term in aqueous solution. Through centrifugation, the particles were successfully separated in batches of varying mean particle sizes, allowing for the determination of the ideal size of this particle system in terms of the MPS performance. KW - Magnetic Particle Imaging KW - Magnetresonanztomograpgie KW - magnetic resonance imaging KW - iron oxide nanoparticle KW - Eisenoxidnanopartikel Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406196 ER - TY - THES A1 - Mbaya Mani, Christian T1 - Functional nanoporous carbon-based materials derived from oxocarbon-metal coordination complexes T1 - Funktionale nanoporöse Kohlenstoffmaterialien auf Basis von Oxokohlenstoff-Metal Koordinationskomplexe N2 - Nanoporous carbon based materials are of particular interest for both science and industry due to their exceptional properties such as a large surface area, high pore volume, high electroconductivity as well as high chemical and thermal stability. Benefiting from these advantageous properties, nanoporous carbons proved to be useful in various energy and environment related applications including energy storage and conversion, catalysis, gas sorption and separation technologies. The synthesis of nanoporous carbons classically involves thermal carbonization of the carbon precursors (e.g. phenolic resins, polyacrylonitrile, poly(vinyl alcohol) etc.) followed by an activation step and/or it makes use of classical hard or soft templates to obtain well-defined porous structures. However, these synthesis strategies are complicated and costly; and make use of hazardous chemicals, hindering their application for large-scale production. Furthermore, control over the carbon materials properties is challenging owing to the relatively unpredictable processes at the high carbonization temperatures. In the present thesis, nanoporous carbon based materials are prepared by the direct heat treatment of crystalline precursor materials with pre-defined properties. This synthesis strategy does not require any additional carbon sources or classical hard- or soft templates. The highly stable and porous crystalline precursors are based on coordination compounds of the squarate and croconate ions with various divalent metal ions including Zn2+, Cu2+, Ni2+, and Co2+, respectively. Here, the structural properties of the crystals can be controlled by the choice of appropriate synthesis conditions such as the crystal aging temperature, the ligand/metal molar ratio, the metal ion, and the organic ligand system. In this context, the coordination of the squarate ions to Zn2+ yields porous 3D cube crystalline particles. The morphology of the cubes can be tuned from densely packed cubes with a smooth surface to cubes with intriguing micrometer-sized openings and voids which evolve on the centers of the low index faces as the crystal aging temperature is raised. By varying the molar ratio, the particle shape can be changed from truncated cubes to perfect cubes with right-angled edges. These crystalline precursors can be easily transformed into the respective carbon based materials by heat treatment at elevated temperatures in a nitrogen atmosphere followed by a facile washing step. The resulting carbons are obtained in good yields and possess a hierarchical pore structure with well-organized and interconnected micro-, meso- and macropores. Moreover, high surface areas and large pore volumes of up to 1957 m2 g-1 and 2.31 cm3 g-1 are achieved, respectively, whereby the macroscopic structure of the precursors is preserved throughout the whole synthesis procedure. Owing to these advantageous properties, the resulting carbon based materials represent promising supercapacitor electrode materials for energy storage applications. This is exemplarily demonstrated by employing the 3D hierarchical porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds as electrode material showing a specific capacitance of 133 F g-1 in H2SO4 at a scan rate of 5 mV s-1 and retaining 67% of this specific capacitance when the scan rate is increased to 200 mV s-1. In a further application, the porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds are used as high surface area support material and decorated with nickel nanoparticles via an incipient wetness impregnation. The resulting composite material combines a high surface area, a hierarchical pore structure with high functionality and well-accessible pores. Moreover, owing to their regular micro-cube shape, they allow for a good packing of a fixed-bed flow reactor along with high column efficiency and a minimized pressure drop throughout the packed reactor. Therefore, the composite is employed as heterogeneous catalyst in the selective hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-dimethylfuran showing good catalytic performance and overcoming the conventional problem of column blocking. Thinking about the rational design of 3D carbon geometries, the functions and properties of the resulting carbon-based materials can be further expanded by the rational introduction of heteroatoms (e.g. N, B, S, P, etc.) into the carbon structures in order to alter properties such as wettability, surface polarity as well as the electrochemical landscape. In this context, the use of crystalline materials based on oxocarbon-metal ion complexes can open a platform of highly functional materials for all processes that involve surface processes. N2 - Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich u. a. durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften aus wie z. B. hohe Oberfläche, hohes Porenvolumen, hohe elektrische Leitfähigkeit und auch hohe chemische und thermische Stabilität. Aufgrund dessen finden sie Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen von der Speicherung elektrischer Energie bis hin zur Katalyse und Gasspeicherung. Die klassische Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien basiert u. a. auf der Nutzung von sogenannten anorganischen bzw. organischen Templaten und/oder chemischen Aktivierungsagenzien. Allerdings gelten diese Methoden eher als kompliziert, kostspielig und umweltschädlich. Außerdem wird eine gezielte Kontrolle der Produkteigenschaften durch die zahlreichen Prozesse erschwert, die sich bei den hohen Karbonisierungstemperaturen abspielen und folglich die Materialeigenschaften unvorhersehbar verändern können. In der vorliegenden Arbeit wird ein alternatives Konzept für die Synthese von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien mit gezielt einstellbaren Eigenschaften vorgestellt. Diese basiert auf der Nutzung von kristallinen Vorläufermaterialien, die aus der Koordination von den Anionen der Quadratsäure bzw. der Krokonsäure mit verschiedenen Metallionen (Zn2+, Cu2+, Ni2+ und Co2+) resultieren. Diese haben den Vorteil, dass Eigenschaften wie z. B. die Partikelmorphologie und Porosität gezielt durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter (z. B. Temperatur, molares Verhältnis, Metallion und Ligand) eingestellt werden können. Beispielsweise führen Koordinationskomplexe von der Quadratsäure mit Zn2+ in Wasser zu porösen 3D würfelförmigen Mikrokristallen, die durch einfache thermische Behandlung unter Schutzgasatmosphäre zu den entsprechenden Kompositen umgewandelt werden. Ein anschließender Waschschritt führt zu den entsprechenden Kohlenstoffmaterialien unter Erhalt der makroskopischen Struktur der kristallinen Vorläufermaterialien. In diesem Zusammenhang weisen die resultierenden Kohlenstoffe ebenfalls eine 3D Würfelform mit einer hierarchischen Porenstruktur bestehend aus vernetzten Mikro-, Meso- und Makroporen auf. Ferner besitzen die Kohlenstoffe hohe Oberflächen und Porenvolumen von bis zu 1.957 m2 g-1 bzw. 2,31 cm3 g-1. Um die Vorteile dieser Eigenschaften zu demonstrieren, werden sie als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren getestet und zeigen dabei vielversprechende Kapazitäten. Außerdem, werden sie auch als Trägermaterial für die Immobilisierung von Nickel-Nanopartikel verwendet und als heterogene Katalysatoren in der selektiven Hydrierung von 5-hydroxymethylfurfural zu 2,5-dimethylfuran in einem Festbettreaktor eingesetzt. Dabei wird eine gute Katalysatorleistung (Produktivität) bei minimalem Druckabfall in der Reaktorsäule erreicht. KW - squaric acid KW - Quadratsäure KW - mesocrystals KW - Mesokristalle KW - nanoporöser Kohlenstoffpartikel KW - nanoporous carbon particles KW - Nanopartikel KW - nanoparticles KW - Koordinationskomplexe KW - coordination complexes KW - oxocarbon KW - Oxo-Kohlenstoff Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407866 ER - TY - THES A1 - Behrends, Nicole T1 - Funktionalisierte OS(T)K-Stäbe und Sensorfluorophore zur optischen Sensorik T1 - Functionalized OS(T)K-rods and dyes for optical sensor systems N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum einen erste Oligospiro(thio)ketal (OS(T)K)-basierte Modellsysteme (molekulare Sonden) für abstandsabhängige Messungen mittels Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) und zum anderen Sensorfluorophore, basierend auf einem DBD-Fluorophor und BAPTA, zur Messung der intrazellulären Calcium-Konzentration dargestellt. Für die Synthese von molekularen Sonden für abstandsabhängige Messungen wurden verschiedenste einfach- und doppelt-markierte OS(T)K-Stäbe entwickelt und spektroskopisch untersucht. Die OS(T)K-Stäbe, sogenannte molekulare Stäbe, dienten als starre Abstandshalter zwischen den Fluorophoren. Als Fluorophore wurden Derivate von 6,7-Dihydroxy-4-methylcoumarin (Donor) und Acyl-DBD (Akzeptor) verwendet, die zusammen ein FRET-Paar bilden. Die Fluorophore wurden so funktionalisiert, dass sie sowohl unbeweglich bzw. „starr“, als auch beweglich bzw. „flexibel“ an den OS(T)K-Stab gebunden werden konnten. Für die Synthese der OS(T)K-Stäbe wurden ebenfalls eine Reihe an unterschiedlich langen und kurzen Stabbausteinen synthetisiert. Auf diese Weise wurden eine Vielzahl an verschiedensten einfach- und doppelt-markierten OS(T)K-Stäben dargestellt, deren Fluorophore sowohl „starr“ als auch „flexibel“ gebunden sind. Die dargestellten Stäbe wurden in verschiedensten Lösungsmitteln spektroskopisch untersucht, um anschließend das Verhalten in Vesikel, die eine biomimetische Umgebung darstellen, zu beurteilen. Es wurde festgestellt, dass sich die Stäbe erfolgreich in die Vesikelmembran einlagerten und hohe FRET-Effizienzen aufweisen. Des Weiteren wurde ein FRET-Paar dargestellt, das sich durch 2-Photonenabsorpion im NIR-Bereich anregen lässt. Es wurde in den lebenden Zellen mittels Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie (FLIM) untersucht. Zur Untersuchung von intrazellulärem Calcium wurden zwei verschiedene DBD-Fluorophore über einen kurzen Linker mit dem Calcium-Chelator BAPTA verknüpft. Die dargestellten Fluorophore wurden sowohl in vitro als auch in vivo auf ihre Calcium-Sensitivität überprüft. Mittels FLIM wurden in lebenden Zellen die Fluoreszenzlebenszeitverteilungen der Fluorophore nach Calcium-Konzentrationsänderungen detektiert. N2 - In this work, Oligospiro(thio)ketal (OS(T)K)-based model systems (molecular probes) for distance-dependent measurements by Förster resonance energy transfer (FRET) and sensor dyes, based on [1,3]dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxole (DBD) dyes and BAPTA, for measuring the intracellular calcium concentration, were presented. For synthesis of molecular probes, for distance-dependent measurements, various single and double-labeled OS(T)K rods were developed and examined spectroscopically. The OS(T)K rods, called molecular rods, served as rigid spacers between the fluorophores. The FRET pairs consist of a Coumarin (Cou) dye as donor and a DBD dye as acceptor. Cou and DBD were functionalized in such a way that they could be connected both "rigid" as well as "flexible" to the OS(T)K rod. For synthesis of the OS(T)K rods, a number of different long and short rod units were synthesized. In this way, a variety of different single- and double-labeled OS(T)K rods were presented. The rods were spectroscopically analyzed in various solvents to subsequently evaluate the behavior in large unilamellar vesicles (LUVs) that represent a biomimetic system for cell membranes. It was found that the rods successfully incorporated in the vesicle membrane. Furthermore, a FRET pair was shown that can be excited by 2-photon absorption in the NIR region. It was examined in living cells by fluorescence lifetime microscopy (FLIM). To study intracellular calcium, two different DBD dyes were linked via a short linker to the calcium chelator BAPTA. The dyes were examined for their calcium sensitivity both in vitro and in vivo. Using FLIM, the fluorescence lifetime distributions of the dyes were detected in living cells after calcium concentration changes. KW - DBD KW - Coumarin KW - FRET KW - BAPTA KW - Calcium KW - 2P-FRET KW - OSK KW - OSTK KW - molekulare Stäbe KW - DBD KW - coumarin KW - FRET KW - BAPTA KW - calcium KW - 2P-FRET KW - OSK KW - OSTK KW - molecular rods Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404213 ER - TY - THES A1 - Olejko, Lydia T1 - Förster resonance energy transfer (FRET)-based nanophotonics using DNA origami structures T1 - Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) basierende Nanophotonik auf DNA Origami Strukturen N2 - The field of nanophotonics focuses on the interaction between electromagnetic radiation and matter on the nanometer scale. The elements of nanoscale photonic devices can transfer excitation energy non-radiatively from an excited donor molecule to an acceptor molecule by Förster resonance energy transfer (FRET). The efficiency of this energy transfer is highly dependent on the donor-acceptor distance. Hence, in these nanoscale photonic devices it is of high importance to have a good control over the spatial assembly of used fluorophores. Based on molecular self-assembly processes, various nanostructures can be produced. Here, DNA nanotechnology and especially the DNA origami technique are auspicious self-assembling methods. By using DNA origami nanostructures different fluorophores can be introduced with a high local control to create a variety of nanoscale photonic objects. The applications of such nanostructures range from photonic wires and logic gates for molecular computing to artificial light harvesting systems for artificial photosynthesis. In the present cumulative doctoral thesis, different FRET systems on DNA origami structures have been designed and thoroughly analyzed. Firstly, the formation of guanine (G) quadruplex structures from G rich DNA sequences has been studied based on a two-color FRET system (Fluorescein (FAM)/Cyanine3 (Cy3)). Here, the influences of different cations (Na+ and K+), of the DNA origami structure and of the DNA sequence on the G-quadruplex formation have been analyzed. In this study, an ion-selective K+ sensing scheme based on the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been developed. Subsequently, the reversibility of the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been evaluated. This has been done for the simple two-color FRET system which has then been advanced to a switchable photonic wire by introducing additional fluorophores (FAM/Cy3/Cyanine5 (Cy5)/IRDye®700). In the last part, the emission intensity of the acceptor molecule (Cy5) in a three-color FRET cascade has been tuned by arranging multiple donor (FAM) and transmitter (Cy3) molecules around the central acceptor molecule. In such artificial light harvesting systems, the excitation energy is absorbed by several donor and transmitter molecules followed by an energy transfer to the acceptor leading to a brighter Cy5 emission. Furthermore, the range of possible excitation wavelengths is extended by using several different fluorophores (FAM/Cy3/Cy5). In this part of the thesis, the light harvesting efficiency (antenna effect) and the FRET efficiency of different donor/transmitter/acceptor assemblies have been analyzed and the artificial light harvesting complex has been optimized in this respect. N2 - Nanotechnologie hat in den letzten Jahrzehnten durch die Herstellung von Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften für Anwendungen im Bereich der Medizin und Materialwissenschaften immer mehr an Popularität gewonnen. Die Herstellungsmethoden von Nanostrukturen sind weit gefächert. Auch Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. engl. DNA, deoxyribonucleic acid) kann für die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich genutzt werden. Diese sogenannte DNA-Nanotechnologie wurde in den frühen 1980er Jahren von Nadrian C. Seeman begründet. Ungefähr 30 Jahre später wurde eine neue Methodik für die Herstellung von DNA-Nanostrukturen von Paul W. K. Rothemund entwickelt, die er „scaffold DNA origami“ (Gerüst-DNA-Origami) nannte. DNA-Origami-Nanostrukturen können relativ einfach hergestellt werden und eignen sich perfekt für die Anordnung unterschiedlicher Moleküle (zum Beispiel Fluorophore) mit hoher räumlicher Kontrolle und Präzision. Daher können sie als Substrate genutzt werden, um verschiedene Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Systeme zu entwerfen und zu untersuchen. FRET ist ein strahlungsloser Energietransfer, bei dem die Anregungsenergie von einem Donor- auf ein Akzeptor-Molekül übertragen wird. In dieser kumulativen Doktorarbeit wurden verschiedene FRET-Systeme auf DNA-Origami-Nanostrukturen entwickelt und mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Hierbei wurde zuerst die durch einwertige Kationen (Kalium oder Natrium) induzierte Guanin-Quadruplex-Faltung von freier Telomer-DNA und Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen mittels FRET analysiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die freie umgedrehte menschliche Telomer-Sequenz (RevHumTel, 5'-(GGG ATT)4) generell sensitiver auf K+ als auf Na+ reagiert. Durch die Immobilisierung der Telomer-DNA auf DNA-Origami-Strukturen kann eine vollständige Selektivität für K+ erreicht werden. Interessanterweise wird die Ionenselektivität aufgehoben, wenn die menschliche Telomer-Sequenz (HumTel, 5'-(TTA GGG)4) verwendet wird. Basierend auf der G-Quadruplex-Faltung konnten schaltbare FRET-Systeme entwickelt werden, da sich die G-Quadruplexe wieder entfalten, wenn die Kationen mithilfe von zum Beispiel Kryptanden entfernt werden. In den hier untersuchten FRET-Systemen konnte zwischen hoher FRET-Effizienz (gefalteter G-Quadruplex) und niedriger FRET-Effizienz (entfalteter DNA Einzelstrang) durch Zugabe KCl bzw. cryptand gewechselt werden. Da sich DNA-Origami-Strukturen recht einfach modifizieren lassen, wurde das ursprüngliche zwei-Farben-FRET-System durch Hinzufügen eines weiteren etwas rotverschobenen Farbstoffes erweitert (drei-Farben-FRET-Kaskade). Schließlich konnte ein schaltbarer photonischer Draht durch Einfügen eines vierten Farbstoffes entwickelt werden. Die Emissionsintensität des finalen Akzeptors ist in einer einfachen drei-Farben-FRET-Kaskade (ein Donor, ein Transmitter und ein Akzeptor) verhältnismäßig gering und kann durch das Anordnen von mehreren Donor- und Transmitter-Molekülen um ein zentrales Akzeptor-Molekül herum stark erhöht werden. In diesen sogenannten künstlichen Lichtsammelkomplexen absorbieren die Donor-Moleküle das Anregungslicht und übertragen dieses über mehrere FRET-Stufen zum Akzeptor-Molekül. Dadurch wird der Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, welcher vom Akzeptor absorbiert werden kann, vergrößert und die Emissionsintensität des Akzeptors verstärkt. In diesem Teil der Arbeit wurde die Anzahl der Farbstoffe und die Anordnung dieser unterschiedlichen Farbstoffe variiert und die Lichtsammeleffizienz und FRET-Effizienz bestimmt. Hierbei wurden diese Parameter optimiert und aufgrund der gefundenen Ergebnisse konnten Design-Regeln für solche künstlichen Lichtsammelkomplexe aufgestellt werden. KW - DNA origami KW - FRET KW - Förster resonance energy transfer KW - DNA Origami KW - FRET KW - Förster-Resonanzenergietransfer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396747 ER - TY - THES A1 - Heck, Christian T1 - Gold and silver nanolenses self-assembled by DNA origami T1 - Gold- und Silbernanolinsen, selbstassembliert durch DNA-Origami N2 - Nanolenses are linear chains of differently-sized metal nanoparticles, which can theoretically provide extremely high field enhancements. The complex structure renders their synthesis challenging and has hampered closer analyses so far. Here, the technique of DNA origami was used to self-assemble DNA-coated 10 nm, 20 nm, and 60 nm gold or silver nanoparticles into gold or silver nanolenses. Three different geometrical arrangements of gold nanolenses were assembled, and for each of the three, sets of single gold nanolenses were investigated in detail by atomic force microscopy, scanning electron microscopy, dark-field scattering and Raman spectroscopy. The surface-enhanced Raman scattering (SERS) capabilities of the single nanolenses were assessed by labelling the 10 nm gold nanoparticle selectively with dye molecules. The experimental data was complemented by finite-difference time-domain simulations. For those gold nanolenses which showed the strongest field enhancement, SERS signals from the two different internal gaps were compared by selectively placing probe dyes on the 20 nm or 60 nm gold particles. The highest enhancement was found for the gap between the 20 nm and 10 nm nanoparticle, which is indicative of a cascaded field enhancement. The protein streptavidin was labelled with alkyne groups and served as a biological model analyte, bound between the 20 nm and 10 nm particle of silver nanolenses. Thereby, a SERS signal from a single streptavidin could be detected. Background peaks observed in SERS measurements on single silver nanolenses could be attributed to amorphous carbon. It was shown that the amorphous carbon is generated in situ. N2 - Nanolinsen sind Strukturen aus linear angeordneten, unterschiedlich großen metallischen Nanopartikeln. Elektromagnetische Felder können durch sie theoretisch extrem verstärkt werden, aufgrund ihres komplexen Aufbaus sind sie bislang aber wenig erforscht. Im Rahmen dieser Dissertation wurden Nanolinsen mit Hilfe der DNA-Origami-Technik aus DNA-beschichteten 10 nm-, 20 nm- und 60 nm-Gold- oder Silbernanopartikeln hergestellt. Für Goldnanolinsen sind die Partikel dabei in drei unterschiedlichen Geometrien angeordnet worden. Einzelne Goldnanolinsen wurden mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Dunkelfeld- und Ramanspektroskopie untersucht. Um die Raman-Verstärkung quantifizieren zu können, trugen dabei jeweils die 10 nm-Goldpartikel Farbstoffmoleküle in ihrer Beschichtung. Die Interpretation der Messdaten wurde durch numerische Simulationen unterstützt. Nanolinsen zeichnen sich durch eine stufenweise Feldverstärkung aus. Dieser Effekt konnte experimentell bestätigt werden, indem selektiv die 20 nm- oder 60 nm-Partikel von Goldnanolinsen mit Farbstoffen markiert und die resultierenden Raman-Signale verglichen wurden. Ein mit Alkingruppen markiertes Protein ist ortsselektiv in Silbernanolinsen integriert worden. Es war möglich, das für das Alkin charakteristische oberflächenverstärkte Raman-Signal im Spektrum einer einzelnen Nanolinse und damit eines einzelnen Proteins zu beobachten. Bei den Messungen mit Silbernanolinsen sind für amorphe Kohlenstoffspezies charakterstische Hintergrundsignale beobachtet worden. Durch zeitabhängige Messungen konnte gezeigt werden, dass diese Spezies erst in situ gebildet werden. KW - DNA origami KW - gold nanoparticles KW - silver nanoparticles KW - SERS KW - self-assembly KW - plasmonics KW - nanolenses KW - DNA-Origami KW - Goldnanopartikel KW - Silbernanopartikel KW - SERS KW - Selbstassemblierung KW - Plasmonik KW - Nanolinsen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409002 ER - TY - THES A1 - Hentrich, Doreen T1 - Grenzflächen-kontrollierte Mineralisation von Calciumphosphat T1 - Interface-controlled mineralization of calcium phosphate N2 - In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die beiden verwendeten Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block, gute Template für die Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche sind. Mittels Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Energie dispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS), Elektronenbeugung (SAED) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) konnte die erfolgreiche Mineralisation von Calciumphosphat für beide Amphiphile an der Wasser/Luft-Grenzfläche nachgewiesen werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass das Phasenverhalten der beiden Amphiphile und die bei der Mineralisation von Calciumphosphat gebildeten Kristallphasen nicht identisch sind. Beide Amphiphile üben demnach einen unterschiedlichen Einfluss auf den Mineralisationsverlauf aus. Beim CHOL-HEM konnte sowohl nach 3 h als auch nach 5 h Octacalciumphosphat (OCP) als einzige Kristallphase mittels XPS, SAED, HRTEM und EDXS nachgewiesen werden. Das A-CHOL hingegen zeigte bei der Mineralisation von Calciumphosphat nach 1 h zunächst eine nicht eindeutig identifizierbare Vorläuferphase aus amorphen Calciumphosphat, Brushit (DCPD) oder OCP. Diese wandelte sich dann nach 3 h und 5 h in ein Gemisch, bestehend aus OCP und ein wenig Hydroxylapatit (HAP) um. Die Schlussfolgerung daraus ist, dass das CHOL-HEM in der Lage ist, dass während der Mineralisation entstandene OCP zu stabilisieren. Dies geschieht vermutlich durch die Adsorption des Amphiphils bevorzugt an der OCP Oberfläche in [100] Orientierung. Dadurch wird die Spaltung entlang der c-Achse unterdrückt und die Hydrolyse zum HAP verhindert. Das A-CHOL ist hingegen sterisch anspruchsvoller und kann wahrscheinlich aufgrund seiner Größe nicht so gut an der OCP Kristalloberfläche adsorbieren verglichen zum CHOL HEM. Das CHOL-HEM kann also die Hydrolyse von OCP zu HAP besser unterdrücken als das A-CHOL. Da jedoch auch beim A-CHOL nach einer Mineralisationszeit von 5 h nur wenig HAP zu finden ist, wäre auch hier ein Stabilisierungseffekt der OCP Kristalle möglich. Um eine genaue Aussage darüber treffen zu können, sind jedoch zusätzliche Kontrollexperimente notwendig. Es wäre zum einen denkbar, die Mineralisationsexperimente über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Diese könnten zeigen, ob das CHOL-HEM die Hydrolyse vom OCP zum HAP komplett unterdrückt. Außerdem könnte nachgewiesen werden, ob beim A-CHOL das OCP weiter zum HAP umgesetzt wird oder ob ein Gemisch beider Kristallphasen erhalten bleibt. Um die Mineralisation an der Wasser/Luft-Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung zu vergleichen, wurden zusätzlich Mineralisationsexperimente in Bulklösung durchgeführt. Dazu wurden Nitrilotriessigsäure (NTA) und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) als Mineralisationsadditive verwendet, da NTA unter anderem der Struktur der hydrophilen Kopfgruppe des A-CHOLs ähnelt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Vergleich der Mineralisation an der Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung nicht ohne weiteres möglich ist. Bei der Mineralisation in Bulklösung wird bei tiefen pH-Werten DCPD und bei höheren pH-Werten HAP gebildet. Diese wurde mittels Röntgenpulverdiffraktometrie Messungen nachgewiesen und durch Infrarotspektroskopie bekräftigt. Die Bildung von OCP wie an der Wasser/Luft-Grenzfläche konnte nicht beobachtet werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass beide Additive NTA und EDTA einen unterschiedlichen Einfluss auf den Verlauf der Mineralisation nehmen. So unterscheiden sich zum einen die Morphologien des gebildeten DCPDs und zum anderen wurde beispielsweise in Anwesenheit von 10 und 15 mM NTA neben DCPD auch HAP bei einem Ausgangs-pH-Wert von 7 nachgewiesen. Da unser Augenmerk speziell auf der Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche liegt, könnten Folgeexperimente wie beispielsweise GIXD Messungen durchgeführt werden. Dadurch wäre es möglich, einen Überblick über die gebildeten Kristallphasen nach unterschiedlichen Reaktionszeiten direkt auf dem Trog zu erhalten. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch einfache Amphiphile in der Lage sind, die Mineralisation von Calciumphosphat zu steuern. Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block bilden offensichtlich besonders stabile Monolagen an der Wasser/Luft-Grenzfläche. Eine Untersuchung des Einflusses ähnlicher Amphiphile mit unterschiedlichen hydrophilen Kopfgruppen auf das Mineralisationsverhalten von Calciumphosphat wäre durchaus interessant. N2 - In the current thesis two amphiphiles were used as templates for the mineralization of calcium phosphate at the air-water interface. Both amphiphiles have a cholesteryl group as hydrophobic block and only differ in their hydrophilic unit. The amphiphile CHOL-HEM has one carboxylic acid as the hydrophilic unit and the amphiphile A-CHOL contains a Newkome type dendron as hydrophilic block. The successful mineralization of calcium phosphate at the air-water interface could be prove by infrared reflection absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, selected area electron diffraction and high resolution transmission electron microscopy. Furthermore, the study shows that the two amphiphiles have a different influence on the mineralization leading to different calcium phosphate phases. The crystal phase formed in case of the CHOL-HEM is octacalcium phosphate (OCP). For the A-CHOL a precursor phase after 1 h mineralization time was formed which could not be identified clearly. The precursor phase could be amorphous calcium phosphate, dicalcium hydrogen phosphate dihydrate (DCPD) or OCP. This phase transformed into a mixture of OCP and a small amount of hydroxyapatite (HAP). In conclusion, it can be demonstrated that the CHOL-HEM is able to stabilize the OCP. This could happen by the adsorption of the amphiphile at the OCP crystal surface in [100] direction and therefore the splitting along the c-axis is hampered and the hydrolysis into HAP will be prevented. The hydrophilic block of the A-CHOL is much bigger and sterically more demanding. For that reason, the A-CHOL cannot adsorb at the OCP crystal surface as good as the CHOL-HEM. The CHOL-HEM can prevent the hydrolysis from OCP into HAP much more efficiently. Due to the fact, that after 5 h mineralization time using A-CHOL as template just a small amount of HAP could be identified suggests that also this amphiphile shows a stabilizing effect on the OCP crystals. To prove this, additional control experiments would be necessary. The A-CHOL shows a better control in terms of the orientation of the mineralized crystals, which could be mostly identified as OCP crystals in [110] and HAP crystals in [-110] orientation. For the CHOL-HEM no preferred orientation could be determined for the formed OCP crystals. Additional mineralization experiments in bulk solution using ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) and nitrilotriacetic acid (NTA) as mineralization additives were performed. The structure of the NTA is similar to the hydrophilic unit of the A-CHOL. The study shows that the comparison of the mineralization at the air-water interface with the mineralization in bulk solution is not easily possible. For the mineralization in bulk solution at low pH values DCPD and at high pH values HAP is formed. These two phases could be identified using X-ray powder diffraction and infrared spectroscopy. The formation of OCP like for the mineralization at the air-water interface could not be observed. Both additives, EDTA and NTA show a different influence on the mineralization progress and show for example different morphologies of the precipitated DCPD. KW - Calciumphosphat KW - Mineralisation KW - Wasser-Luft-Grenzfläche KW - calcium phosphate KW - mineralization KW - air-water interface Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398236 ER - TY - THES A1 - John, Daniela T1 - Herstellung anisotroper Kolloide mittels templatgesteuerter Assemblierung und Kontaktdruckverfahren T1 - Generation of anisotropic colloids via templated-assisted assembly and contact printing N2 - Diese Arbeit befasste sich mit neuen Konzepten zur Darstellung anisotroper Partikelsysteme durch Anordnung von funktionalisierten Partikeln unter Zuhilfenahme etablierter Methoden wie der templatgestützten Assemblierung von Partikeln und dem Mikrokontaktdruck. Das erste Teilprojekt beschäftigte sich mit der kontrollierten Herstellung von Faltenstrukturen im Mikro- bis Nanometerbereich. Die Faltenstrukturen entstehen durch die Relaxation eines Systems bestehend aus zwei übereinander liegender Schichten unterschiedlicher Elastizität. In diesem Fall wurden Falten auf einem elastischen PDMS-Substrat durch Generierung einer Oxidschicht auf der Substratoberfläche mittels Plasmabehandlung erzeugt. Die Dicke der Oxidschicht, die über verschiedene Parameter wie Behandlungszeit, Prozessleistung, Partialdruck des plasmaaktiven Gases, Vernetzungsgrad, Deformation sowie Substratdicke einstellbar war, bestimmte Wellenlänge und Amplitude der Falten. Das zweite Teilprojekt hatte die Darstellung komplexer, kolloidaler Strukturen auf Basis supramolekularer Wechselwirkungen zum Ziel. Dazu sollte vor allem die templatgestützte Assemblierung von Partikeln sowohl an fest-flüssig als auch flüssig-flüssig Grenzflächen genutzt werden. Für Erstere sollten die in Teilprojekt 1 hergestellten Faltenstrukturen als Templat, für Letztere Pickering-Emulsionen zur Anwendung kommen. Im ersten Fall wurden verschiedene, modifizierte Silicapartikel und Magnetitnanopartikel, deren Größe und Oberflächenfunktionalität (Cyclodextrin-, Azobenzol- und Arylazopyrazolgruppen) variierte, in Faltenstrukturen angeordnet. Die Anordnung hing dabei nicht nur vom gewählten Verfahren, sondern auch von Faktoren wie der Partikelkonzentration, der Oberflächenladung oder dem Größenverhältnis der Partikel zur Faltengeometrie ab. Die Kombination von Cyclodextrin (CD)- und Arylazopyrazol-modifizierten Partikeln ermöglichte, auf Basis einer Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Partikeltypen und einer templatgesteuerten Anordnung, die Bildung komplexer und strukturierter Formen in der Größenordnung mehrerer Mikrometer. Dieses System kann einerseits als Grundlage für die Herstellung verschiedener Janus-Partikel herangezogen werden, andererseits stellt die gerichtete Vernetzung zweier Partikelsysteme zu größeren Aggregaten den Grundstein für neuartige, funktionale Materialien dar. Neben der Anordnung an fest-flüssig Grenzflächen konnte außerdem nachgewiesen werden, dass Azobenzol-funktionalisierte Silicapartikel in der Lage sind, Pickering-Emulsionen über mehrere Monate zu stabilisieren. Die Stabilität und Größe der Emulsionsphase kann über Parameter, wie das Volumenverhältnis und die Konzentration, gesteuert werden. CD-funktionalisierte Silicapartikel besaßen dagegen keine Grenzflächenaktivität, während es CD-basierten Polymeren wiederum möglich war, durch die Ausbildung von Einschlusskomplexen mit den hydrophoben Molekülen der Ölphase stabile Emulsionen zu bilden. Dagegen zeigte die Kombination zwei verschiedener Partikelsysteme keinen oder einen destabilisierenden Effekt bezüglich der Ausbildung von Emulsionen. Im letzten Teilprojekt wurde die Herstellung multivalenter Silicapartikel mittels Mikrokontaktdruck untersucht. Die Faltenstrukturen wurden dabei als Stempel verwendet, wodurch es möglich war, die Patch-Geometrie über die Wellenlänge der Faltenstrukturen zu steuern. Als Tinte diente das positiv geladene Polyelektrolyt Polyethylenimin (PEI), welches über elektrostatische Wechselwirkungen auf unmodifizierten Silicapartikeln haftet. Im Gegensatz zum Drucken mit flachen Stempeln fiel dabei zunächst auf, dass sich die Tinte bei den Faltenstrukturen nicht gleichmäßig über die gesamte Substratfläche verteilt, sondern hauptsächlich in den Faltentälern vorlag. Dadurch handelte es sich bei dem Druckprozess letztlich nicht mehr um ein klassisches Mikrokontaktdruckverfahren, sondern um ein Tiefdruckverfahren. Über das Tiefdruckverfahren war es dann aber möglich, sowohl eine als auch beide Partikelhemisphären gleichzeitig und mit verschiedenen Funktionalitäten zu modifizieren und somit multivalente Silicapartikel zu generieren. In Abhängigkeit der Wellenlänge der Falten konnten auf einer Partikelhemisphäre zwei bis acht Patches abgebildet werden. Für die Patch-Geometrie, sprich Größe und Form der Patches, spielten zudem die Konzentration der Tinte auf dem Stempel, das Lösungsmittel zum Ablösen der Partikel nach dem Drucken sowie die Stempelhärte eine wichtige Rolle. Da die Stempelhärte aufgrund der variierenden Dicke der Oxidschicht bei verschiedenen Wellenlängen nicht kontant ist, wurden für den Druckprozess meist Abgüsse der Faltensubstrate verwendet. Auf diese Weise war auch die Vergleichbarkeit bei variierender Wellenlänge gewährleistet. Neben dem erfolgreichen Nachweis der Modifikation mittels Tiefdruckverfahren konnte auch gezeigt werden, dass über die Komplexierung mit PEI negativ geladene Nanopartikel auf die Partikeloberfläche aufgebracht werden können. N2 - This work dealt with new concepts of formation of anisotropic particle systems by using well-known methods such as template-assisted self-assembly of particles and microcontact printing. The first part paid attention to the controlled preparation of wrinkles in a micro or nanometer range. Wrinkles result from the relaxation of a system consisting of two layers with different elasticity. In this case, wrinkles were generated on top of an elastic PDMS substrate via plasma oxidation to a rigid surface. The thickness of the oxidized layer determined wavelength and amplitude of the wrinkles and could be varied by different parameters: time, power, partial pressure of plasma active gas, level of cross-linking, displacement and thickness of the PDMS substrate. The aim of the second part was the generation of complex, colloidal structures based on supramolecular interactions. For this, the template-assisted self-assembly of particles at solid-liquid and liquid-liquid interfaces should be used. Concerning the assembly at solid-liquid interfaces, we utilized the wrinkle structures generated in part 1 and, concerning the assembly at liquid-liquid interfaces, Pickering emulsions were chosen. In the first case, modified particles (silica and magnetite), that size and functionality (cyclodextrine, azobenzene and arylazopyrazol groups) varied, were assembled in wrinkle structures. The assembly depended not only on the chosen method, concentration, surface charge and size ratio between wrinkles and particles. The combination of cyclodextrine (CD)- and aryazopyralzol-modified particles enabled to build complex and regular structures based on supramolecular interactions between the two particles types and template-assisted self-assembly of these particles. On the one hand, this system generated Janus particles and on the other hand, the controlled agglomeration of two different particle types laid the foundation of new functional materials. Beside the assembly at solid-liquid interfaces, azobenzene-functionalized particles could be used for stabilizing Pickering emulsions. Formed emulsions were stable over a period of several months while parameters such as volume ratio and concentration influenced this stability as well as the volume of the emulsion phase. However, CD-functionalized silica particles possessed no interfacial activity to stabilize emulsions, whereas CD-based polymers could stabilize emulsions by forming inclusion complexes with hydrophobic molecules of the oil phase. On the other hand, the combination of CD-based and azobenzene-functionalized particle systems showed no or a destabilizing effect with regard to the formation of emulsions. In the last part, the generation of multivalent silica particles using a microcontact printing technique were analyzed. Wrinkles were used as stamps which induced the possibility to control the patch geometry by varying their wavelength. The positively charged polyelectrolyte (PEI) served as ink because it can stick to the silica surface by electrostatic interactions. Having a closer look at the printing process, a deviation to printing with flat stamps was found. In contrast to printing with flat stamps, ink solution, in case of wrinkles structures, did not spread over the whole substrate equally but laid mainly in the wrinkle groves. Due to this, the printing process is no longer a classical microcontact printing process but an intaglio printing process. Using the intaglio printing process, it was possible to modify both hemispheres of the particles at the same time and with different functionalities as well as generate multivalent silica particles. Depending on the wrinkle wavelength, two to eight patches per hemisphere could be achieved. The geometry of patches, means their size and arrangement, depended on the concentration of the ink on the stamps, the solvent to removing the particles from the stamps and the hardness of the stamps. Due to a varied thickness of the oxidized layer at different wrinkle wavelengths, the hardness of the stamps is not constant; that is why, casted wrinkles were utilized for the printing process. In this way, we ensure the comparability of printing using different wavelengths. Beside the successful proof of modification using intaglio printing, we could also show that negatively charged nanoparticles could be applied on the particle surface by embedding them into PEI before. KW - Faltenstrukturen KW - Anisotrope Kolloide KW - Kontaktdruck KW - Templatgesteuerte Assemblierung KW - wrinkles KW - patchy particles KW - particle assembly KW - printing Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398270 ER - TY - THES A1 - Braun, Max T1 - Heterogeneous Catalysis for the Conversion of Fructose to Chemicals and Fuel in a Continuous Flow Process T1 - Umsetzung von Fruktose zu Chemikalien und Treibstoff mittels heterogener Katalysatoren in einem kontinuierlichen Prozess N2 - Die Umsetzung von Zucker (Kohlenhydrate) in einem kontinuierlichen Prozess eröffnet Möglichkeiten der Synthese diverser Chemikalien und Treibstoff aus erneuerbaren Ressourcen, welche heute überwiegend aus fossilen Quellen stammen. Passend zum Konzept der Bioraffinerie und der „grünen Chemie“, liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Umsetzung von in Ethanol gelöster Fruktose in einem kontinuierlichen Verfahren, mit Hilfe eigens entwickelter heterogener Katalysatoren. Die Dehydratisierung von Fruktose wird mit einem heterogenen Säurekatalysator realisiert, während die Folgeprodukte mittels einer Hydrodesoxygenierung umgesetzt werden. Für den zweiten Schritt kommen Metallkatalysatoren auf Basis von Nickel und Wolframcarbid (WC) zum Einsatz, wodurch der Einsatz teurer Edelmetalle vermieden werden kann. Hauptprodukte des zweistufigen Verfahrens sind 2,5-Dimethylfuran (DMF) und Ethyllevulinat (EL). Beide Moleküle sind vielversprechende alternative Treibstoffe, bzw. können gebräuchlichen Treibstoffen beigemischt werden, um deren Einsatz zu reduzieren und schrittweise zu substituieren. Alternativ können die Zwischenprodukte der Dehydratisierung, sowie DMF und EL weiter zu Chemikalien umgesetzt werden, welche in der Polymersynthese, als Lösungsmittel oder als Grundchemikalien eingesetzt werden können. Die Entwicklung der jeweiligen Katalysatoren für Dehydratisierungs- und Hydrodesoxygenierungsreaktionen erfolgt auf Basis von karbonisierter Biomasse, sowie Wolframcarbid. Die jeweiligen Reaktivitäten werden durch Standardreaktionen getestet, wobei sich Wolframcarbid in Nanopartikelform, in Kombination mit Wasserstoff als sehr aktiv erwiesen hat. Der selbst entwickelte aktivierte Kohlenstoff, das kommerzielle Amberlyst 15, sowie Wolframcarbid mit zusätzlichen Nickel-Nanopartikeln werden für weiterführende Reaktionen in einem kontinuierlichen Prozess herangezogen und kombiniert. Um den Umsatz von Fruktose zu DMF in einer „zwei Reaktoren Anlage“ zu ermöglichen, wird eine Erweiterung eines kommerziellen Reaktorsystems um einen weiteren Reaktor vorgenommen. Die Verweilzeit in der Reaktoranlage beträgt somit ca. 14 Minuten, wobei 11 Minuten auf die erste Säule (Dehydratisierung) und 3 Minuten auf die zweite Säule (Hydrodesoxygenierung) entfallen. In diesem kontinuierlichen und zweistufigen System lassen sich Ausbeuten von 38.5 % DMF und 47 % EL erzielen. Ein kontinuierlicher Lauf von sieben Stunden zeigt die Stabilität der eingesetzten Katalysatoren, auch wenn eine geringe Deaktivierung des Dehydratisierungskatalysators beobachtet werden kann. Der Ni@WC Katalysator zeigte hingegen keine Abnahme der Nickel Konzentration und somit kommt es zu keiner Auswaschung des Metalls. Das gebildete EL wurde hingegen nicht umgesetzt und verbleibt unverändert in Lösung. Das zweistufige System wurde schließlich in einem Mischkatalysatorsystem kombiniert, wobei auf aktivierten und sulfonierten Kohlenstoff zurückgegriffen wurde. Dieser zeigte bereits eine Transferhydrodesoxygenierungsaktivität. Diese Beobachtung ist deshalb bemerkenswert, da erst seit kurzem bekannt ist, dass Graphenstrukturen an sich katalytisch aktiv sein können. Um diese Aktivität weiter zu steigern, wurde der aktivierte Kohlenstoff mit 10 wt% Ni@WC gemischt, sodass beide Katalysatoren in einer Säule vorliegen. Die ursprünglichen 2 % DMF Ausbeute mit reinem aktivierten Kohlenstoff können somit auf 12 % gesteigert werden, da das Folgeprodukt EL hierbei vermieden wird und das Zwischenprodukt „HMF Derivat“ direkt zu DMF weiter reagieren kann. Dieses Ergebnis zeigt das Potential der „ein Reaktor Umsetzung“, weshalb eine kontinuierliche Durchflussreaktoranlage im Litermaßstab als Scale-Up des vorhergehenden Labormaßstabs realisiert wurde. Der 800 mm x 28.5 mm Reaktor bedient eine maximale Flussrate von 50 mL min-1, Drücke von 100 bar und Temperaturen bis zu 500 °C. N2 - The valorization of carbohydrates is one of the most promising fields in green chemistry, as it enables to produce bulk chemicals and fuels out of renewable and abundant resources, instead of further exploiting fossil feedstocks. The focus in this thesis is the conversion of fructose, using dehydration and hydrodeoxygenation reactions. The main goal is to find an easy continuous process, including the solubility of the sugar in a green solvent, the conversion over a solid acid as well as over a metal@tungsten carbide catalyst. At the beginning of this thesis, solid acid catalysts are synthesized by using carbohydrate material like glucose and starch at high temperatures (up to 600 °C). Additionally a third carbon is synthesized, using an activation method based on Ca(OH)2. After carbonization and further sulfonation, using fuming sulfuric acid, the three resulting catalysts are characterized together with sulfonated carbon black and Amberlyst 15 as references. In order to test all solid acid catalysts in reaction, a 250 mm x 4.6 mm stainless steel column is used as a fixed-bed continuous reactor. The temperature (110 °C to 250 °C) and residence time (2 to 30 minutes) is varied, and a direct relationship between contact time and selectivity is determined. The reaction mechanism, as well as the product distribution is showing a dehydration step of fructose towards 5-hydroxymethylfurfural (HMF). These furan-ring molecules are considered as “sleeping giants”, due to the possibility of using them as fuel, but also for upgrading them to chemicals like terephthalic acid or p-xylene. Consecutive reactions are producing levulinic acid, as well as condensation products with ethanol and formic acid. The activated carbon is additionally showing a 2 % yield of 2,5-Dimethylfuran (DMF) production, pointing towards the extraordinary properties of this catalyst. Without a metal catalyst present, what is normally necessary for hydrogenation reactions, a transferhydrogenation (with formic acid) is observed. The active catalyst was therefore carbon itself, what activated the hydrogen on its surface. This phenomenon was just very rarely observed so far. Expensive noble metals are the material of choice, when it comes to hydrogenation reactions nowadays and cheaper alternatives are necessary. By postulating a similar electronic structure of tungsten carbide (WC) to platinum by Lewy and Boudart, research is focusing on the replacement of Pt. The production of nano-sized tungsten carbide particles (7.5 ± 2.5 nm, 70 m2 g-1) is enabled by the so called “urea glass route” and its catalytic performances are compared to commercial material. It is shown, that the activity is strongly dependent on the size of the particles as well as the surface area. Nano-sized tungsten carbide is showing activity for hydrogenation reactions under mild conditions (maximum 150 °C, 30 bar). This material therefore opens up new possibilities for replacing the rare and expensive platinum with tungsten carbide based catalysts. Additionally different metal nanoparticles of palladium, copper and nickel are deposited on top of WC to further promote its reactivity. The nickel nanoparticles are strongly connected to WC and showed the best activity as well as selectivity for upgrading HMF with hydrodeoxygenation. The Ni@WC is not leaching and is showing very good hydrodeoxygenation properties with DMF yields up to 90 percent. Copper@WC is not showing good activity and palladium@WC enables undesired consecutive reactions, hydrogenating the furan ring system. In order to enable the upgrade of fructose to DMF directly in a continuous system, the current H CUBE Pro TM hydrogenation system is customized with a second reaction column. A 250 mm x 4.6 mm stainless steel reactor column is connected ahead of the hydrogen insertion, enabling the dehydration of fructose to HMF derivatives, before pumping these products into the second column for hydrogenation. The overall residence time in the two column reactor system is 14 minutes. The overall results are an almost full conversion with a yield of 38.5 % DMF and 47 % yield of EL. The main disadvantage is the formation of higher mass products, so called humins, which start depositing on top of the catalysts, blocking their active sites. In general it can be stated, that a two column system goes along with a higher investment as well as more maintenance costs, compared to a one column catalytic approach. To develop a catalyst, which is on the one hand able to dehydrate as well as hydrodeoxygenate the reactants, is aimed for at the last part of the thesis. The activated carbon however shows already activity for hydrodeoxygenation without any metal present and offers itself therefore as an alternative to overcome the temperature instability of Amberlyst 15 (max. 120 °C) for a combined DMF production directly from fructose. The activity for the upgrade to DMF is increased from 2 % to 12 % DMF yield in one mixed continuous column. In order to scale up the entire one column approach, an 800 mm x 28.5 mm inner diameter column was planned and manufactured. The system is scaled up and assembled, whereas this flow reactor system is able to be run with 50 mL min-1 maximum flow rate, to stand a pressure of maximum 100 bar and be heated to around 500 °C. The tubing and connections, as well as the used devices are planned according to be safe and easy in use. The scaled-up approach offers a reaction column 120 times bigger (510 ml) then the first extension of the commercial system. This further extension offers the possibility of ranging between 1 and 1000 mL min-1, making it possible to use the approach in pilot plant applications. KW - Biorefinery KW - Catalysis KW - Hydroxymethylfurfural KW - Upgrade of Fructose KW - Bioraffinerie KW - Katalyse KW - Hydroxymethylfurfural KW - Aufarbeitung von Fruktose Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410370 ER - TY - THES A1 - Graglia, Micaela T1 - Lignin valorization T1 - Lignin Valorisierung BT - extraction, characterization and applications BT - Extraktion, Charakterisierung und Anwendungen N2 - The topic of this project is the use of lignin as alternative source of aromatic building blocks and oligomers to fossil feedstocks. Lignin is known as the most abundant aromatic polymer in nature and is isolated from the lignocellulosic component of plants by different possible extraction treatments. Both the biomass source and the extraction method affect the structure of the isolated lignin, therefore influencing its further application. Lignin was extracted from beech wood by two different hydrothermal alkaline treatments, which use NaOH and Ba(OH)2 as base and by an acid-catalyzed organosolv process. Moreover, lignin was isolated from bamboo, beech wood and coconut by soda treatment of the biomasses. A comparison of the structural features of such isolated lignins was performed through the use of a wide range of analytical methods. Alkaline lignins resulted in a better candidate as carbon precursor and macromonomers for the synthesis of polymer than organosolv lignin. In fact, alkaline lignins showed higher residual mass after carbonization and higher content of the reactive hydroxy functionalities. In contrast, the lignin source turned out to slightly affect the lignin hydroxyl content. One of the most common lignin modifications is its deconstruction to obtain aromatic molecules, which can be used as starting materials for the synthesis of fine chemicals. Lignin deconstruction leads to a complex mixture of aromatic molecules. A gas chromatographic analytical method was developed to characterize the mixture of products obtained by lignin deconstruction via heterogeneous catalytic hydrogenolysis. The analytical protocol allowed the quantification of three main groups of molecules by means of calibration curves, internal standard and a preliminary silylation step of the sample. The analytical method was used to study the influence of the hydrogenolysis catalyst, temperature and system (flow and batch reactor) on the yield and selectivity of the aromatic compounds. Lignin extracted from beech wood by a hydrothermal process using Ba(OH)2 as base, was functionalized by aromatic nitration in order to add nitrogen functionalities. The final goal was the synthesis of a nitrogen doped carbon. Nitrated lignin was reduced to the amino form in order to compare the influence of different nitrogen functionalities on the porosity of the final carbon. The carbons were obtained by ionothermal treatment of the precursors in the presence of the eutectic salt mixture KCl/ZnCl2 Such synthesized carbons showed micro-, macro- and mesoporosity and were tested for their electrocatalytic activity towards the oxygen reduction reaction. Mesoporous carbon derived from nitro lignin displayed the highest electrocatalytic activity. Lignins isolated from coconut, beech wood and bamboo were used as macromonomers for the synthesis of biobased polyesters. A condensation reaction was performed between lignin and a hyper branched poly(ester-amine), previously obtained by condensation of triethanolamine and adipic acid. The influence of the lignin source and content on the thermochemical and mechanical properties of the final material was investigated. The prepolymer showed adhesive properties towards aluminum and its shear strength was therefore measured. The gluing properties of such synthesized glues turned out to be independent from the lignin source but affected by the amount of lignin in the final material. This work shows that, although still at a laboratory scale, the valorization of lignin can overcome the critical issues of lignin´s structure variability and complexity. N2 - Das Thema dieser Arbeit ist Lignin als alternative Quelle für aromatische Moleküle einzusetzen, welche sonst aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. Lignin ist das am häufigsten vorkommende aromatische Polymer in der Natur. Es wird durch verschiedene Extraktionsmethoden aus pflanzlicher Lignocellulose isoliert. Sowohl der Rohstoff als auch das Extraktionsverfahren beeinflussen die Struktur des isolierten Lignins und bestimmen dadurch die weiteren Anwendungsmöglichkeiten. In der vorliegenden Arbeit die wurde Lignin durch zwei alkalisch hydrothermale Extraktionsmethoden aus Buchenholz extrahiert, wobei entweder NaOH oder Ba(OH)2 verwendet wurde. Eine dritte Methode bedient sich der sogenannten säuerekatalysierten Organosolv-Extraktion. Das Weiteren wurden drei Lignine durch eine Soda Extraktionsmethode aus Bambus, Buchenholz und Kokosnussschalen isoliert. Die Strukturen dieser wurden mit Hilfe verschiedener analytischer Techniken analysiert und verglichen. Während alkalische Lignine sich besser als Ausgangsstoff für poröse Kohlenstoffmaterialien und Makromonomere für die Synthese von Polymeren eignen, zeigen Lignine aus dem Organosolv Prozess weniger gute Eigenschaften hinsichtlich dieser Applikationen. Die bis heute häufigste Modifikation von Lignin beschäftigt sich mit der Aufschließung zu aromatischen Molekülen, welche die Grundlage für die weitere Herstellung von Chemikalien darstellen. Um die Aufschlussprodukte der Hydrogenolyse aus Lignin vergleichen zu können, wurde während dieser Arbeit wurde eine Gaschromatographiemethode entwickelt. In einem weiteren Schritt wurde isoliertes Lignin aus Buchenholzspänen durch Nitrierung mit zusätzlichem Stickstoff funktionalisiert. Das modifizierte Lignin konnte direkt al Präkursor für stickstoffdotierte kohlen dienen, welche mittels ionothermaler Synthese mit Hilfe von KCl/ZnCl2 als eutektischem Salz hergestellt wurden. Diese Materialien wurden erfolgreich in der Sauerstoffreduktion als Katalysator zum Einsatz gebracht. Die gewonnen Lignine aus Kokosnussschalen, Bambus und Buchenholz wurden als Makromonomere für die Herstellung von biobasiertem Polyester verwendet. Sowohl die thermochemischen als auch die mechanischen Eigenschaften wurden durch die unterschiedlichen Lignine der verschiedenen Pflanzen beeinflusst. Das hergestellte Polymer zeigte gute Eigenschaften als Biomass-basierter Kleber. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Lignin, obwohl es eine sehr variable und komplexe Struktur aufweis, in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen kann, auch wenn diese bis heute nur im Labormaßstab verwirklicht wurden. KW - Lignin KW - biorefinery KW - biomass KW - Lignin KW - Biomasse KW - Bioraffinerie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104863 ER - TY - THES A1 - Schulze, Nicole T1 - Neue Templatphasen zur anisotropen Goldnanopartikelherstellung durch den Einsatz strukturbildender Polymere T1 - New template phases for anisotropic gold nanoparticle production through the use of structure-forming polymers N2 - Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von anisotropen Goldnanopartikeln in einer geeigneten Polyelektrolyt-modifizierten Templatphase. Der Mittelpunkt bildet dabei die Auswahl einer geeigneten Templatphase, zur Synthese von einheitlichen und reproduzierbaren anisotropen Goldnanopartikeln mit den daraus resultierenden besonderen Eigenschaften. Bei der Synthese der anisotropen Goldnanopartikeln lag der Fokus in der Verwendung von Vesikeln als Templatphase, wobei hier der Einfluss unterschiedlicher strukturbildender Polymere (stark alternierende Maleamid-Copolymere PalH, PalPh, PalPhCarb und PalPhBisCarb mit verschiedener Konformation) und Tenside (SDS, AOT – anionische Tenside) bei verschiedenen Synthese- und Abtrennungsbedingungen untersucht werden sollte. Im ersten Teil der Arbeit konnte gezeigt werden, dass PalPhBisCarb bei einem pH-Wert von 9 die Bedingungen eines Röhrenbildners für eine morphologische Transformation von einer vesikulären Phase in eine röhrenförmige Netzwerkstruktur erfüllt und somit als Templatphase zur formgesteuerten Bildung von Nanopartikeln genutzt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde dargelegt, dass die Templatphase PalPhBisCarb (pH-Wert von 9, Konzentration von 0,01 wt.%) mit AOT als Tensid und PL90G als Phospholipid (im Verhältnis 1:1) die effektivste Wahl einer Templatphase für die Bildung von anisotropen Strukturen in einem einstufigen Prozess darstellt. Bei einer konstanten Synthesetemperatur von 45 °C wurden die besten Ergebnisse bei einer Goldchloridkonzentration von 2 mM, einem Gold-Templat-Verhältnis von 3:1 und einer Synthesezeit von 30 Minuten erzielt. Ausbeute an anisotropen Strukturen lag bei 52 % (Anteil an dreieckigen Nanoplättchen von 19 %). Durch Erhöhung der Synthesetemperatur konnte die Ausbeute auf 56 % (29 %) erhöht werden. Im dritten Teil konnte durch zeitabhängige Untersuchungen gezeigt werden, dass bei Vorhandensein von PalPhBisCarb die Bildung der energetisch nicht bevorzugten Plättchen-Strukturen bei Raumtemperatur initiiert wird und bei 45 °C ein Optimum annimmt. Kintetische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Bildung dreieckiger Nanoplättchen bei schrittweiser Zugabe der Goldchlorid-Präkursorlösung zur PalPhBisCarb enthaltenden Templatphase durch die Dosierrate der vesikulären Templatphase gesteuert werden kann. In umgekehrter Weise findet bei Zugabe der Templatphase zur Goldchlorid-Präkursorlösung bei 45 °C ein ähnlicher, kinetisch gesteuerter Prozess der Bildung von Nanodreiecken statt mit einer maximalen Ausbeute dreieckigen Nanoplättchen von 29 %. Im letzten Kapitel erfolgten erste Versuche zur Abtrennung dreieckiger Nanoplättchen von den übrigen Geometrien der gemischten Nanopartikellösung mittels tensidinduzierter Verarmungsfällung. Bei Verwendung von AOT mit einer Konzentration von 0,015 M wurde eine Ausbeute an Nanoplättchen von 99 %, wovon 72 % dreieckiger Geometrien hatten, erreicht. N2 - The aim of the present work was the synthesis and characterization of anisotropic gold nanoparticles in a suitable polyelectrolyte-modified template phase. The focus was on the selection of a suitable template phase for the synthesis of uniform and reproducible anisotropic gold nanoparticles with the resulting special properties. In the synthesis of the anisotropic gold nanoparticles, the focus was on the use of vesicles as a template phase. Here, the influence of different structure-forming polymers (strongly alternating maleimide copolymers PalH, PalPh, PalPhCarb and PalPhBisCarb with different conformations) and surfactants (SDS, AOT - anionic surfactants) should be studied at various synthesis and separation conditions. In the first part of the work, it could be shown that PalPhBisCarb at pH 9 meets the requirements of a tubulating agent for a morphological transformation of a vesicular phase into a tubular network structure and thus can be used as a template phase for the shape-controlled formation of nanoparticles. In the second part of the work, it was shown that the template phase PalPhBisCarb (pH value of 9, concentration of 0.01 wt.%) with AOT as surfactant and PL90G as phospholipid (in the ratio 1:1) is the most effective choice of template phase for the formation of anisotropic structures in a one-step process. At a constant synthesis temperature of 45 °C, the best results were achieved with a gold chloride concentration of 2 mM, a gold-template ratio of 3:1 and a synthesis time of 30 minutes. The yield of anisotropic structures was 52% (triangular nanoplatelet content of 19%). By increasing the synthesis temperature, the yield could be increased to 56% (29%). In the third part, it was shown by time-dependent investigations that in the presence of PalPhBisCarb, the formation of the not energetically preferred platelet structures is initiated at room temperature and assumes an optimum at 45 °C. Kinetical studies have shown that the formation of triangular nanosheets can be controlled by the dosing rate of the vesicular template phase when the gold chloride precursor solution is gradually added to the PalPhBisCarb-containing template phase. Conversely, upon addition of the template phase to the gold chloride precursor solution at 45 °C, a similar, kinetically controlled process of formation of nanodimers takes place with a maximum yield of triangular nanoplatelets of 29%. In the last chapter, initial attempts were made to separate triangular nanoplatelets from the other geometries of the mixed nanoparticle solution by means of surfactant-induced depletion flocculation. When AOT was used at a concentration of 0.015 M, a yield of nanoplatelets of 99%, of which 72% had triangular geometries, was achieved. KW - Nanopartikel KW - nanoparticle KW - Templatphase KW - template phase KW - Gold KW - gold KW - anisotrop KW - anisotropic Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409515 ER - TY - THES A1 - Bleek, Katrin T1 - Phosphonathaltige (Co)Polymere und ihr Einfluss auf die Mineralisation von Calciumphosphat T1 - Phosphonate containing (co)polymers and their influence on the mineralisation of calcium phosphate N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Polymere hergestellt, die bestimmte funktionelle Gruppen beinhalten. Diese Gruppen werden zum Teil durch Alkylketten geschützt, zum Teil liegen sie ungeschützt im Polymer vor. Mit diesen Polymeren wurden Untersuchungen mit knochenähnlichen Materialien sogenanntem Calciumphosphat durchgeführt. Es wurde der Einfluss der verschiedenen Polymere auf die Bildung dieser knochenähnlichen Substanzen untersucht und auch der Einfluss auf die Stabilität und das Auflösungsverhalten der Calciumphosphate. Dabei sollte ein besonderes Augenmerk auf die funktionellen Gruppen, sogenannte Phosphonsäuren und deren Ester, die die Phosphonsäuren schützen, gesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass bei der Bildung der knochenähnlichen Materialien die Polymere mit Estergruppen eine leichte Förderung der Calciumphosphat-Bildung verursachen, während die ungeschützten Polymere die Bildung des „Knochenmaterials“ sehr stark verzögern. Dieser Effekt verstärkt sich noch, wenn eine weitere bestimmte Komponente zum Polymer hinzukommt und somit ein Copolymer gebildet wird. Diese Copolymere beschleunigen bzw. verlangsamen die Calciumphosphatbildung noch stärker. Werden Polymere mit einem anderen Polymergerüst aber den gleichen Phosphonsäuresetern in den Seitenketten verwendet, ändert sich der Einfluss der Calciumphosphat-Bildung wenig. Verglichen mit Polymeren ohne solche Phosphonsäuregruppen wird erkennbar, dass es weniger die Phosphonsäuregruppe ist, die die Mineralisation beeinflusst, sondern es eher eine Folge der Säure im Polymer ist. Wird die Stabilisierung und Auflösung der Knochenähnlichen Substanzen betrachtet, fällt auf, dass auch hier wieder die Säuren den größten Effekt ausüben. Die Phosphonsäuregruppen scheinen dabei jedoch tatsächlich einen besonderen Effekt auszuüben, da bei diesen die Stabilisierung und auch das Auflösungsvermögen von Calciumphospaht von allen untersuchten Polymeren am größten sind. In der Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass die Polymere und Copolymere mit Phosphonsäuregruppen einen leicht positiven Effekt auf die Zahngesundheit zeigen. Die Zahl von Bakterien auf der Zahnoberfläche konnte reduziert werden und bei der Untersuchung der Zahnauflösung wurde eine glattere Zahnoberfläche erhalten, jedoch wurde auch mit den untersuchten Polymeren der Zahn im Inneren angegriffen. Weitere Untersuchungen können hier noch genaueren Aufschluss geben. Außerdem sollten auch die Polymere mit dem unterschiedlichen Polymergerüst und Phosphonsäureestergruppen untersucht werden. Letztere Polymere wurden verwendet, um festere “gelartige“ Polymernetzwerke herzustellen und deren Einfluss auf die Calciumphosphatmineralisation zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass ohne das Einbetten einiger Calciumphosphatteilchen keine Bildung von Calciumphospaht an den Materialien ausgelöst wurde, wurden die sogenannten Hydrogele jedoch mit Calciumphosphatpartikeln geimpft, konnte deutliches weiteres Calciumphosphatwachstum beobachtet werden. Das Material lässt sich auch in verschiedene Formen bringen. Somit könnte das System nach weiteren Untersuchungen zur Verträglichkeit mit Zellen oder Geweben ein mögliches Material für Implantate darstellen, mit denen gezielt Knochenwachstum eingeleitet werden könnte. N2 - In the present work, various polymers containing certain functional groups have been prepared. Some of these groups are protected by alkyl chains, some of which are unprotected in the polymer. With these polymers, investigations were carried out with bone-like materials called calcium phosphate. The influence of the different polymers on the formation of these bone-like substances was investigated and also the influence on the stability and the dissolution behavior of the calcium phosphates. Particular attention should be paid to the functional groups, so-called phosphonic acids and their esters, which protect the phosphonic acids. It has been found that in the formation of the bone-like materials, the polymers with ester groups cause easy promotion of calcium phosphate formation, while the unprotected polymers greatly retard formation of the "bone material". This effect is further enhanced when a further specific component is added to the polymer and thus a copolymer is formed. These copolymers accelerate or slow calcium phosphate formation even more. If polymers with a different polymer backbone but the same phosphonic acid in the side chains used, the influence of calcium phosphate formation changes little. Compared with polymers without such phosphonic acid groups, it will be appreciated that it is less the phosphonic acid group that affects mineralization, but rather is a consequence of the acid in the polymer. If the stabilization and dissolution of the bone-like substances is considered, it is noticeable that here too the acids exert the greatest effect. The phosphonic acid groups, however, actually seem to exert a special effect, since in these the stabilization and also the dissolving power of calcium phosphate are the greatest of all the polymers investigated. The work also showed that the polymers and copolymers with phosphonic acid groups have a slightly positive effect on dental health. The number of bacteria on the surface of the tooth could be reduced, and in the study of tooth dissolution, a smoother tooth surface was obtained, but also with the investigated polymers the tooth was attacked inside. Further investigations can provide even more detailed information here. In addition, the polymers with the different polymer backbone and phosphonic ester groups should also be investigated. The latter polymers were used to make firmer "gel-like" polymer networks and study their influence on calcium phosphate mineralization. It was found that without the incorporation of some calcium phosphate particles no formation of calcium phosphate on the materials was initiated, however, the so-called hydrogels were inoculated with calcium phosphate particles, and significant further calcium phosphate growth could be observed. The material can also be put into different shapes. Thus, after further studies on compatibility with cells or tissues, the system could be a potential material for implants to target bone growth. KW - Calciumphosphat KW - Calcium phosphate KW - polymervermittelte Biomineralisation KW - polymer induced Biomineralization KW - phosphonathaltige Polymere KW - phosphonate containing polymers KW - Calcium Bindungsstelle KW - Calcium binding site Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406630 ER - TY - THES A1 - Titov, Evgenii T1 - Quantum chemistry and surface hopping dynamics of azobenzenes T1 - Quantenchemie und Surface Hopping Dynamik von Azobenzolen BT - free and constrained models BT - freie und eingeschränkte Modelle N2 - This cumulative doctoral dissertation, based on three publications, is devoted to the investigation of several aspects of azobenzene molecular switches, with the aid of computational chemistry. In the first paper, the isomerization rates of a thermal cis → trans isomerization of azobenzenes for species formed upon an integer electron transfer, i.e., with added or removed electron, are calculated from Eyring’s transition state theory and activation energy barriers, computed by means of density functional theory. The obtained results are discussed in connection with an experimental study of the thermal cis → trans isomerization of azobenzene derivatives in the presence of gold nanoparticles, which is demonstrated to be greatly accelerated in comparison to the same isomerization reaction in the absence of nanoparticles. The second paper is concerned with electronically excited states of (i) dimers, composed of two photoswitchable units placed closely side-by-side, as well as (ii) monomers and dimers adsorbed on a silicon cluster. A variety of quantum chemistry methods, capable of calculating molecular electronic absorption spectra, based on density functional and wave function theories, is employed to quantify changes in optical absorption upon dimerization and covalent grafting to a surface. Specifically, the exciton (Davydov) splitting between states of interest is determined from first-principles calculations with the help of natural transition orbital analysis, allowing for insight into the nature of excited states. In the third paper, nonadiabatic molecular dynamics with trajectory surface hopping is applied to model the photoisomerization of azobenzene dimers, (i) for the isolated case (exhibiting the exciton coupling between two molecules) as well as (ii) for the constrained case (providing the van der Waals interaction with environment in addition to the exciton coupling between two monomers). For the latter, the additional azobenzene molecules, surrounding the dimer, are introduced, mimicking a densely packed self-assembled monolayer. From obtained results it is concluded that the isolated dimer is capable of isomerization likewise the monomer, whereas the steric hindrance considerably suppresses trans → cis photoisomerization. Furthermore, the present dissertation comprises the general introduction describing the main features of the azobenzene photoswitch and objectives of this work, theoretical basis of the employed methods, and discussion of gained findings in the light of existing literature. Also, additional results on (i) activation parameters of the thermal cis → trans isomerization of azobenzenes, (ii) an approximate scheme to account for anharmonicity of molecular vibrations in calculation of the activation entropy, as well as (iii) absorption spectra of photoswitch–silicon composites obtained from time-demanding wave function-based methods are presented. N2 - Die vorliegende kumulative Dissertationsschrift basiert auf drei wissenschaftlichen Publikationen und beschäftigt sich mit der computerchemischen Erforschung von molekularen Azobenzol-Schaltern. Die erste Publikation behandelt die thermische cis → trans Isomerisierung von Azobenzol durch einen Elektronentransfer (ein Elektron wird hinzugefügt oder entnommen). Dabei ist die Berechnung der Isomerisierungsrate des Elektronenübergangs nach der Eyringschen Theorie des Übergangszustands unter Einsatz von Aktivierungsenenergien durchgeführt worden. Die Letzteren sind mittels Dichtefunktionaltheorie berechnet worden. Die daraus erhaltenen Ergebnisse sind in Zusammenhang mit experimentellen Untersuchungen der thermische cis → trans Isomerisierung von Azobenzol-Derivaten in Lösung mit und ohne Goldnanopartikeln diskutiert worden. Die thermische Isomerisierung in Anwesenheit der Goldnanopartikeln läuft stark beschleunigt ab. Die zweite Publikation beschäftigt sich mit elektronisch angeregten Zuständen von (i) Dimeren bestehend aus zwei schaltbaren Einheiten, die dicht nebeneinander platziert sind, sowie (ii) Monomeren und Dimeren, die an einen Siliziumcluster adsorbiert sind. Mehrere quantenchemische Methoden basierend auf Dichtefunktionaltheorie und Wellenfunktionstheorie sind zur Berechnung der molekularen elektronischen Absorptionsspektren verwendet worden. Dadurch sind die Änderungen in der optischen Absorption sowohl bei der Dimerisierung, als auch beim kovalenten Anbinden an die Oberfläche bestimmt worden. Dazu ist die exzitonische Aufspaltung (Davydov splitting) zwischen den angeregten Zuständen aus ersten Prinzipien unter Verwendung von speziellen Orbitalen für Übergangszustände (natural transition orbitals) berechnet worden. Dadurch wird ein Einblick in die Natur der angeregten Zuständen erreicht. In der dritten Publikation ist eine nicht-adiabatische Molekulardynamik-Simulation unter Anwendung von trajectory surface hopping durchgeführt worden, um die Photoisomerisirung von Azobenzol-Dimeren zu modellieren. Dabei sind (i) ein isoliertes sowie (ii) ein Dimer in der Monolage betrachtet worden. Es sind die exzitonische Kopplung zwischen den zwei Molekülen, sowie, im Falle der Monolage, auch Van-der-Waals-Wechselwirkungen berücksicht worden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein isoliertes Dimer gleichermaßen isomerisierungsfähig wie ein Monomer ist, wobei die cis → trans Photoisomerisierung durch die sterische Hinderung erheblich unterdrückt wird. Außerdem beinhaltet die darliegende Dissertationsschrift eine allgemeine Einführung, theoretische Grundlagen der verwendeten Methoden und die Diskussion der erhaltenen Ergebnisse mit Blick auf die vorhandene Literatur. Ferner sind zusätzliche Ergebnisse bezüglich der folgenden Aspekte dargestellt: (i) Aktivierungsparameter der thermischen cis → trans Isomerisierung von Azobenzol; (ii) ein Näherungsverfahren zur Berücksichtigung der Anharmonizität von Molekülschwingungen bei Berechnung der Aktivierungsentropie; (iii) Absorptionspektren von Photoschalter-Silizium-Kompositen berechnet mithilfe von zeitaufwändigen Wellenfunktions-basierten Methoden. KW - quantum chemistry KW - surface hopping dynamics KW - azobenzene KW - Quantenchemie KW - Surface Hopping Dynamik KW - Azobenzol Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394610 ER - TY - THES A1 - Krüger, Stefanie T1 - Seidenbasierte anorganische Funktionsmaterialien T1 - Silk based inorganic functional materials N2 - In der vorliegenden Arbeit konnten erfolgreich zwei unterschiedliche Hybridmaterialien (HM) über die Sol-Gel-Methode synthetisiert werden. Bei den HM handelt es sich um Monolithe mit einem Durchmesser von bis zu 4,5 cm. Das erste HM besteht aus Titandioxid und Bombyx mori Seide und wird als TS bezeichnet, während das zweite weniger Seide und zusätzlich Polyethylenoxid (PEO) enthält und daher als TPS abgekürzt wird. Einige der HM wurden nach der Synthese in eine wässrige Tetrachloridogoldsäure-Lösung getaucht, wodurch sich auf der Oberfläche Goldnanopartikel gebildet haben. Die Materialien wurden mittels Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Ramanspektroskopie sowie Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide HM aus etwa 5 nm großen, sphärischen Titandioxidnanopartikeln aufgebaut sind, die primär aus Anatas und zu einem geringen Anteil aus Brookit bestehen. Die Goldnanopartikel bei TPS_Au waren größer und polydisperser als die Goldnanopartikel auf dem TS_Au HM. Darüber hinaus sind die Goldnanopartikel im TS HM tiefer in das Material eingedrungen als beim TPS HM. Die weiterführende Analyse der HM mittels Elementaranalyse und thermogravimetrischer Analyse ergab für TPS einen geringeren Anteil an organischen Bestandteilen im HM als für TS, obwohl für beide Synthesen die gleiche Masse an organischen Materialien eingesetzt wurde. Es wird vermutet, dass das PEO während der Synthese teilweise wieder aus dem Material herausgewaschen wird. Diese Theorie korreliert mit den Ergebnissen aus der Stickstoffsorption und der Quecksilberporosimetrie, die für das TPS HM eine höhere Oberfläche als für das TS HM anzeigten. Die Variation einiger Syntheseparameter wie die Menge an Seide und PEO oder die Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung hatte einen großen Einfluss auf die synthetisierten HM. Während unterschiedliche Mengen an PEO die Größe des HM beeinflussten, konnte ohne Seide kein HM in einer ähnlichen Größe hergestellt werden. Die Bildung der HM wird stark von der Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung beeinflusst. Eine Veränderung führte daher nur selten zur Bildung eines homogenen HM. Die in dieser Arbeit synthetisierten HM wurden als Photokatalysatoren für die Wasserspaltung und den Abbau von Methylenblau eingesetzt. Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Goldkonzentrationen beim TPS HM auf die Wasserstoffausbeute untersucht. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Menge von 2,5 mg Tetrachloridogoldsäure erhalten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit dem TPS HM eine deutlich höhere Menge an Wasserstoff gewonnen werden konnte als mit dem TS HM. Die Ursachen für die schlechtere Aktivität werden in der geringeren spezifischen Oberfläche, der unterschiedlichen Porenstruktur, dem höheren Anteil an Seide und besonders in der geringeren Größe und höheren Eindringtiefe der Goldnanopartikel vermutet. Darüber hinaus konnte mit einem höheren UV-Anteil in der Lichtquelle sowie durch die Zugabe von Ethanol als Opferreagenz eine Zunahme der Wasserstoffausbeute erzielt werden. Bei dem Methylenblauabbau wurde für beide HM zunächst nur eine Adsorption des Methylenblaus beobachtet. Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid konnte nach 8 h bereits eine fast vollständige Oxidation des Methylenblaus unter sichtbarem Licht beobachtet werden. Die Ursache für die etwas höhere Aktivität von TPS gegenüber TS wird in der unterschiedlichen Porenstruktur und dem höheren Anteil an Seide im TS HM vermutet. Insgesamt zeigen beide HM eine gute photokatalytische Aktivität für den Abbau von Methylenblau im Vergleich zu den erhaltenen Werten aus der Literatur. N2 - Two different hybrid materials (HM) were successfully synthesized by the sol-gel-method. The first HM is based on titania and Bombyx mori silk and will be denoted as TS. The second HM is TPS and also contains titania but a lower amount of silk and additionally poly(ethylene oxide) (PEO). Furthermore some of the HM were immerse in aqueous hydrogen tetrachloroaurate solutions to deposit gold nanoparticles (AuNP) on the surface of the HM. All materials are monoliths with diameters of up to ca. 4.5 cm. Analysis via electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, Raman spectroscopy, and X-ray powder diffraction shows that the HM are based on 5 nm titania nanoparticles (TNP) – mainly anatase with a minor fraction of brookite - and AuNPs on the order of 7-18 nm. Addition of PEO to the reaction mixture enables pore size tuning which were analyzed by nitrogen sorption and mercury intrusion porosimetry measurements. These observations correlate with the results from elemental and thermogravimetric analysis which show a lower amount of organic components in TPS than in TS HM. In both HM the amount of organic components used for the synthesis are the same. Therefore we suppose that PEO is washed out of the material during the synthesis which yield to a higher surface area and a lower amount of organic components. A further chapter of the thesis describes the variation of different synthesis parameter like amount of silk or PEO or the composition of the titania precursor solution. The results show that it is impossible to create a HM of about 4.5 cm without silk. Furthermore the amount of PEO influences the size of the HM whereas the composition of the titania precursor solution has a large effect on the synthesis of such HM. Furthermore both HM were tested for their photocatalytic activities for water splitting and methylene blue (MB) degradation. Water splitting experiments using a sun simulator show that the new hybrid materials are effective water splitting catalysts and produce up to 30 mmol of hydrogen per 24 h. The amount of produced hydrogen is dependent on the HM (TPS_Au or TS_Au), the amount of AuNP, the addition of ethanol as sacrificial reagent or the light source. Studies of MB degradation show initially just an adsorption and not a degradation of MB. After the addition of hydrogen peroxide, there is an almost complete degradation of MB within 8 h. Both HM show a good photocatalytic activity for MB degradation compared with results from the literature. KW - photocatalytic water splitting KW - titania KW - Bombyx mori silk KW - gold KW - photokatalytische Wasserspaltung KW - Titandioxid KW - Gold KW - Bombyx mori Seide Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404635 ER - TY - THES A1 - Charan, Himanshu T1 - Self assembled transmembrane protein polymer conjugates for the generation of nano thin membranes and micro compartments T1 - Selbstassemblierte Transmembranprotein-Polymer Konjugate für die Herstellung von nanodünnen Membranen und Mikrokompartimenten N2 - This project was focused on generating ultra thin stimuli responsive membranes with an embedded transmembrane protein to act as the pore. The membranes were formed by crosslinking of transmembrane protein polymer conjugates. The conjugates were self assembled on air water interface and the polymer chains crosslinked using a UV crosslinkable comonomer to engender the membrane. The protein used for the studies reported herein was one of the largest transmembrane channel proteins, ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA), found in the outer membrane of Escherichia coli (E. coli). The wild type protein and three genetic variants of FhuA were provided by the group of Prof. Schwaneberg in Aachen. The well known thermo responsive poly(N isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and the pH and thermo responsive polymer poly((2-dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) were conjugated to FhuA and the genetic variants via controlled radical polymerization (CRP) using grafting from technique. These polymers were chosen because they would provide stimuli handles in the resulting membranes. The reported polymerization was the first ever attempt to attach polymer chains onto a membrane protein using site specific modification. The conjugate synthesis was carried out in two steps – a) FhuA was first converted into a macroinitiator by covalently linking a water soluble functional CRP initiator to the lysine residues. b) Copper mediated CRP was then carried out in pure buffer conditions with and without sacrificial initiator to generate the conjugates. The challenge was carrying out the modifications on FhuA without denaturing it. FhuA, being a transmembrane protein, requires amphiphilic species to stabilize its highly hydrophobic transmembrane region. For the experiments reported in this thesis, the stabilizing agent was 2 methyl 2,4-pentanediol (MPD). Since the buffer containing MPD cannot be considered a purely aqueous system, and also because MPD might interfere with the polymerization procedure, the reaction conditions were first optimized using a model globular protein, bovine serum albumin (BSA). The optimum conditions were then used for the generation of conjugates with FhuA. The generated conjugates were shown to be highly interfacially active and this property was exploited to let them self assemble onto polar apolar interfaces. The emulsions stabilized by particles or conjugates are referred to as Pickering emulsions. Crosslinking conjugates with a UV crosslinkable co monomer afforded nano thin micro compartments. Interfacial self assembly at the air water interface and subsequent UV crosslinking also yielded nano thin, stimuli responsive membranes which were shown to be mechanically robust. Initial characterization of the flux and permeation of water through these membranes is also reported herein. The generated nano thin membranes with PNIPAAm showed reduced permeation at elevated temperatures owing to the resistance by the hydrophobic and thus water-impermeable polymer matrix, hence confirming the stimulus responsivity. Additionally, as a part of collaborative work with Dr. Changzhu Wu, TU Dresden, conjugates of three enzymes with current/potential industrial relevance (candida antarctica lipase B, benzaldehyde lyase and glucose oxidase) with stimuli responsive polymers were synthesized. This work aims at carrying out cascade reactions in the Pickering emulsions generated by self assembled enzyme polymer conjugate. N2 - Im Rahmen dieses Projekts wurden ultradünne Stimuli responsive Membranen hergestellt, in die ein Transmembranprotein als Pore eingebettet ist. Die Membranen wurden durch das Verlinken von Transmembranprotein-Polymer Konjugaten an Grenzflächen hergestellt. Dazu wurden Konjugate an der Luft-Wasser-Grenzfläche selbstassembliert und die Polymerketten unter Verwendung eines UV-vernetzbaren Comonomers vernetzt. Als Protein wurde einer der größten Transmembran-Proteinkanäle, welcher sich in der Natur in der äußeren Membran von Escherichia coli (E. coli) findet, verwendet, nämlich ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA). Das Wildtyp-Protein und drei genetische Varianten von FhuA wurden von der Gruppe von Prof. Schwaneberg in Aachen zur Verfügung gestellt. Das bekannte thermo responsive Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAAm) und das pH- und thermo responsive Polymer Poly((2-dimethylamino) ethylmethacrylat) (PDMAEMA) wurden über kontrollierte radikalische Polymerisationen (CRP) via der grafting-from Technik an FhuA und die genetischen Varianten konjugiert. Diese responsiven Polymere wurden ausgewählt, weil die Eigenschaften der resultierenden Membranen folglich durch äußere Einflusse verändert werden können. Dabei handelt es sich um das erste Beispiel, Polymerketten von einem Membranprotein ortsspezifisch zu synthetisieren. Die Konjugatsynthese wurde in zwei Schritten durchgeführt - a) zuerst wurde ein FhuA Makroinitiator durch Anbinden funktioneller CRP Initiatoren an die Lysinreste des Proteins dargestellt. B) durch Kupfer-vermittelte CRP wurden dann in Pufferlösung sowohl mit als auch ohne Opferinitiator die Konjugate synthetisiert. Die Herausforderung bestand darin, FhuA zu modifizieren ohne das Protein dabei zu denaturieren. Als Transmembranprotein benötigt FhuA amphiphile Agentien, um seine hydrophobe Transmembran Region zu stabilisieren. Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente war das stabilisierende Agens 2-Methyl-2,4-pentandiol (MPD). Da der MPD-Puffer nicht als rein wässriges Medium betrachtet werden kann, und auch, weil MPD das Polymerisationsverfahren beeinflussen könnte, wurden die Reaktionsbedingungen zunächst unter Verwendung eines globulären Modellproteins, nämlich Rinderserumalbumin (BSA), optimiert. Die optimalen Bedingungen wurden dann für die Erzeugung von Konjugaten mit FhuA verwendet. Die Konjugate zeigten eine hohe Grenzflächenaktivität und diese Eigenschaft wurde für die Selbstassemblierung an polaren/apolaren Grenzflächen ausgenutzt. Wurden Emulsionen durch die Konjugate stabilisiert, so bezeichnet man dies als Pickering-Emulsionen. Das Vernetzen von Konjugaten mit einem UV-vernetzbaren Co-Monomer führt zu nano-dünnen Mikrokompartimenten. Die Selbstassemblierung an der Luft-Wasser-Grenzfläche und anschließende UV-Vernetzung ergaben nano-dünne, Stimuli-responsive Membranen, die sich als mechanisch robust erwiesen. Eine erste Charakterisierung des Flusses und der Permeation von Wasser durch die Membranen wird ebenfalls in dieser Arbeit beschrieben. Die erzeugten nano dünnen Membranen mit PNIPAAm zeigten eine verminderte Permeation bei erhöhten Temperaturen aufgrund der nun hydrophoben und damit wasserundurchlässigen Polymermatrix. Darüber hinaus wurden für eine Kooperation mit Dr. Changzhu Wu, TU Dresden, Konjugate von drei Enzymen mit industrieller Relevanz (Candida antarctica Lipase B, Benzaldehydlyase und Glucose-Oxidase) synthetisiert. Diese Arbeit zielt auf Kaskadenreaktionen in Pickering-Emulsionen, die durch selbstassemblierte Enzym-Polymer Konjugate katalysiert werden. KW - FhuA KW - transmembrane protein KW - protein-polymer conjugate KW - controlled radical polymerization KW - ultra-thin membrane KW - FhuA KW - Transmembranprotein KW - Protein-Polymer Konjugaten KW - kontrollierte radikalische Polymerisationen KW - ultradünne Membranen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402060 SP - xii, 138 ER - TY - THES A1 - Willersinn, Jochen T1 - Self-Assembly of double hydrophilic block copolymers T1 - Selbstorganisation Doppelt Hydrophiler Blockcopolymere BT - organized particles and vesicles beyond amphiphiles BT - organisierte Partikel und Vesikel jenseits von Amphiphilen N2 - The motivation of this work was to investigate the self-assembly of a block copolymer species that attended little attraction before, double hydrophilic block copolymers (DHBCs). DHBCs consist of two linear hydrophilic polymer blocks. The self-assembly of DHBCs towards suprastructures such as particles and vesicles is determined via a strong difference in hydrophilicity between the corresponding blocks leading to a microphase separation due to immiscibility. The benefits of DHBCs and the corresponding particles and vesicles, such as biocompatibility, high permeability towards water and hydrophilic compounds as well as the large amount of possible functionalizations that can be addressed to the block copolymers make the application of DHBC based structures a viable choice in biomedicine. In order to assess a route towards self-assembled structures from DHBCs that display the potential to act as cargos for future applications, several block copolymers containing two hydrophilic polymer blocks were synthesized. Poly(ethylene oxide)-b-poly(N-vinylpyrrolidone) (PEO-b-PVP) and Poly(ethylene oxide)-b-poly(N-vinylpyrrolidone-co-N-vinylimidazole) (PEO-b-P(VP-co-VIm) block copolymers were synthesized via reversible deactivation radical polymerization (RDRP) techniques starting from a PEO-macro chain transfer agent. The block copolymers displayed a concentration dependent self-assembly behavior in water which was determined via dynamic light scattering (DLS). It was possible to observe spherical particles via laser scanning confocal microscopy (LSCM) and cryogenic scanning electron microscopy (cryo SEM) at highly concentrated solutions of PEO-b-PVP. Furthermore, a crosslinking strategy with (PEO-b-P(VP-co-VIm) was developed applying a diiodo derived crosslinker diethylene glycol bis(2-iodoethyl) ether to form quaternary amines at the VIm units. The formed crosslinked structures proved stability upon dilution and transfer into organic solvents. Moreover, self-assembly and crosslinking in DMF proved to be more advantageous and the crosslinked structures could be successfully transferred to aqueous solution. The afforded spherical submicron particles could be visualized via LSCM, cryo SEM and Cryo TEM. Double hydrophilic pullulan-b-poly(acrylamide) block copolymers were synthesized via copper catalyzed alkyne azide cycloaddition (CuAAC) starting from suitable pullulan alkyne and azide functionalized poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) and poly(N-ethylacrylamide) (PEA) homopolymers. The conjugation reaction was confirmed via SEC and 1H-NMR measurements. The self-assembly of the block copolymers was monitored with DLS and static light scattering (SLS) measurements indicating the presence of hollow spherical structures. Cryo SEM measurements could confirm the presence of vesicular structures for Pull-b-PEA block copolymers. Solutions of Pull-b-PDMA displayed particles in cryo SEM. Moreover, an end group functionalization of Pull-b-PDMA with Rhodamine B allowed assessing the structure via LSCM and hollow spherical structures were observed indicating the presence of vesicles, too. An exemplified pathway towards a DHBC based drug delivery vehicle was demonstrated with the block copolymer Pull-b-PVP. The block copolymer was synthesized via RAFT/MADIX techniques starting from a pullulan chain transfer agent. Pull-b-PVP displayed a concentration dependent self-assembly in water with an efficiency superior to the PEO-b-PVP system, which could be observed via DLS. Cryo SEM and LSCM microscopy displayed the presence of spherical structures. In order to apply a reversible crosslinking strategy on the synthesized block copolymer, the pullulan block was selectively oxidized to dialdehydes with NaIO4. The oxidation of the block copolymer was confirmed via SEC and 1H-NMR measurements. The self-assembled and oxidized structures were subsequently crosslinked with cystamine dihiydrochloride, a pH and redox responsive crosslinker resulting in crosslinked vesicles which were observed via cryo SEM. The vesicular structures of crosslinked Pull-b-PVP could be disassembled by acid treatment or the application of the redox agent tris(2-carboxyethyl)-phosphin-hydrochloride. The successful disassembly was monitored with DLS measurements. To conclude, self-assembled structures from DHBCs such as particles and vesicles display a strong potential to generate an impact on biomedicine and nanotechnologies. The variety of DHBC compositions and functionalities are very promising features for future applications. N2 - Die Selbstanordnung von amphiphilen Blockcopolymeren in Wasser zu Strukturen höherer Ordnung, wie Partikel oder Vesikel, ist seit vielen Jahren bekannt und findet Anwendung in vielen Aspekten der Medizin und Materialwissenschaft. Allerdings ist die treibende Kraft dieser Selbstanordnung zu Vesikeln, die Hydrophobie des wasserunlöslichen Polmyerblocks, auch ein Hindernis für den gezielten Transport von neuen Medikamenten und Wirkstoffen, da die Membran dieser Vesikel aufgrund des hydrophoben Anteils sehr dicht gepackt ist und eine Diffusion der Wirkstoffe durch diese Membran häufig nur durch hohen synthetischen Aufwand gewährleistet werden kann. Einen möglichen Ausweg bietet die Anwendung von doppelt hydrophilen Blockcopolymeren (DHBCs), respektive Blockcopolymere die aus zwei Polymerblöcken mit unterschiedlicher Hydrophilie bestehen. Ist dieser Unterschied groß genug, können DHBCs Partikel- und Vesikelstrukturen ausbilden, die denen der amphiphilen Blockcopolymere ähnlich sind. Um das Potential von DHBC Strukturen zu untersuchen und einen tieferen Einblick in die fundamentalen Prinzipien dieser Selbstanordnung zu erhalten, wurden in dieser Arbeit fünf verschiedene Blockcopolymere hergestellt. Poly(Ethylenoxid)-b-Poly(N-Vinylpyrrolidon) und Poly(Ethylenoxid)-b-Poly(N-Vinylpyrrolidon-co-N-Vinylimidazol) Blockcopolymere wurden über eine kontrollierte radikalische Polymerisation hergestellt und zeigten eine konzentrationsabhängige Selbstanordnung zu Partikeln mit Größen unter einem Mikrometer. Diese Partikel konnten vernetzt werden, sodass sie auch bei starker Verdünnung nicht zerfallen. Zwei Pullulan-b-Poly(Acrylamid) Blockcopolymere wurden über eine Konjugationsreaktion hergestellt, die die beiden separaten Polymerblöcke miteinander verbindet. Diese Blockcopolymere ordneten sich in Wasser zu Vesikulären Strukturen mit Größen zwischen 250 nm und 500 nm. Des Weiteren war es möglich, einen Farbstoff an ein Blockcopolymer anzubringen und den vesikulären Charakter mit konfokaler Mikroskopie zu untersuchen. Ein Ausblick auf mögliche medizinische Anwendung von DHBCs wurde mit dem letzten Blockcopolymer Pullulan-b-Poly(N-Vinylpyrrolidon) gegeben. Vesikel aus diesem Blockcopolymer wurden mit einem pH- und Redox-responsivem Vernetzer vernetzt und es wurde gezeigt, dass sich die vesikulären Strukturen durch Säurebehandlung zersetzen lassen. Dieses System veranschaulicht die theoretische Anwendungsmöglichkeit von DHBCs im gezielten Medikamententransport. KW - self-assembly KW - double hydrophilic block copolymers KW - polymer chemistry KW - RAFT/MADIX polymerization KW - block copolymer vesicles KW - Selbstorganisation KW - Doppelt hydrophile Blockcopolymere KW - Polymerchemie KW - RAFT/MADIX Polymerisation KW - Blockcopolymervesikel Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408578 ER -