TY - THES A1 - Sütterlin, Martin T1 - New inverse hydogel opals as protein responsive sensors T1 - Neue inverse Hydrogelopale als proteinresponsive Sensoren N2 - In this work, the development of temperature- and protein-responsive sensor materials based on biocompatible, inverse hydrogel opals (IHOs) is presented. With these materials, large biomolecules can be specifically recognised and the binding event visualised. The preparation of the IHOs was performed with a template process, for which monodisperse silica particles were vertically deposited onto glass slides as the first step. The obtained colloidal crystals with a thickness of 5 μm displayed opalescent reflections because of the uniform alignment of the colloids. As a second step, the template was embedded in a matrix consisting of biocompatible, thermoresponsive hydrogels. The comonomers were selected from the family of oligo(ethylene glycol)methacrylates. The monomer solution was injected into a polymerisation mould, which contained the colloidal crystals as a template. The space in-between the template particles was filled with the monomer solution and the hydrogel was cured via UV-polymerisation. The particles were chemically etched, which resulted in a porous inner structure. The uniform alignment of the pores and therefore the opalescent reflection were maintained, so these system were denoted as inverse hydrogel opals. A pore diameter of several hundred nanometres as well as interconnections between the pores should facilitate a diffusion of bigger (bio)molecules, which was always a challenge in the presented systems until now. The copolymer composition was chosen to result in a hydrogel collapse over 35 °C. All hydrogels showed pronounced swelling in water below the critical temperature. The incorporation of a reactive monomer with hydroxyl groups ensured a potential coupling group for the introduction of recognition units for analytes, e.g. proteins. As a test system, biotin as a recognition unit for avidin was coupled to the IHO via polymer-analogous Steglich esterification. The amount of accessible biotin was quantified with a colorimetric binding assay. When avidin was added to the biotinylated IHO, the wavelength of the opalescent reflection was significantly shifted and therefore the binding event was visualised. This effect is based on the change in swelling behaviour of the hydrogel after binding of the hydrophilic avidin, which is amplified by the thermoresponsive nature of the hydrogel. A swelling or shrinking of the pores induces a change in distance of the crystal planes, which are responsible for the colour of the reflection. With these findings, the possibility of creating sensor materials or additional biomolecules in the size range of avidin is given. N2 - In dieser Arbeit wird die Entwicklung von temperatur- und proteinresponsiven Sensormaterialien auf Basis von biokompatiblen, inversen Hydrogelopalen (IHO) vorgestellt, mit welchen die spezifische Erkennung größerer Biomoleküle visuell ausgelesen werden kann. Die Darstellung der IHOs erfolgte mittels Templatverfahren, bei dem im ersten Schritt monodisperse Silicapartikel vertikal auf Objektträger abgeschieden wurden. Die so erhaltenen Kolloidkristalle mit einer Dicke von 5 μm zeigten opaleszente Reflexionen aufgrund der gleichförmigen Anordnung der Partikel. Im zweiten Schritt wurde das Templat in eine Matrix aus biokompatiblen, thermoresponsiven Hydrogelen eingebettet. Die Comonomere wurden aus der Familie der Oligo(ethylenglykol)methacrylate ausgewählt. Zur Synthese des Hydrogels wurde die Monomerlösung in eine Polymerisationsform injiziert, welche die Kolloidkristalle als Templat beinhaltete. Die Zwischenräume der Templatpartikel wurden mit der Monomerlösung gefüllt und das Hydrogelnetzwerk per UV-Polymerisation erhalten. Die Templatpartikel wurden anschließend nasschemisch heraus gelöst, so dass eine poröse innere Struktur erhalten wurde. Die regelmäßige Anordnung der Poren und damit die opaleszenten Reflexionen wurden dabei beibehalten, so dass diese Systeme als inverse Hydorgelopale bezeichnet werden. Ein Porendurchmesser von mehreren hundert Nanometer, sowie durchgängige Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Poren sollten eine Diffusion von großen (Bio)molekülen erleichtern, was bei bisherigen Systemen ein Problem darstellte. Die Copolymerzusammensetzung wurde dabei so gewählt, dass ein Kollaps des Hydrogels über 35 °C stattfand. Alle Hydrogele zeigten ausgeprägte Quellung in Wasser unterhalb der kritischen Temperatur. Der Einbau von reaktiven Comonomeren mit Hydroxylgruppen gewährleistete dabei die Funktionalisierbarkeit des Hydrogels mit Erkennungsgruppen für entsprechende Analytmoleküle, wie z.B. Proteine. Als Testsystem wurde Biotin als Erkennungseinheit für Avidin in das Hydrogel mittels polymeranaloger Steglich Veresterung eingebaut. Die Menge an zugänglichem Biotin wurde dabei per colorimetrischem Bindungsassay quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass sich die Wellenlänge der Reflexion nach Zugabe von Avidin zum biotinylierten inversen Hydrogelopal signifikant verschob und damit das Bindungsereignis visuell auslesbar ist. Dieser Effekt beruht auf dem veränderten Quellungsverhalten des Hydrogels nach Bindung des hydrophilen Proteins Avidin in Wasser, welches durch den thermosresponsiven Charakter des Hydrogels verstärkt ist. Ein Aufweiten oder Schrumpfen der Poren ändert die Abstände der gleichmäßig angeordneten Poren, welche für die Farbe des inversen Opals verantwortlich sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich möglicherweise Sensormaterialen für die Erkennung weiterer Biomoleküle in der Größenordnung von Avidin erstellen. KW - hydrogel KW - opal KW - protein KW - responsive KW - sensor Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70179 ER - TY - JOUR A1 - Couturier, Jean-Philippe A1 - Wischerhoff, Erik A1 - Bernin, Robert A1 - Hettrich, Cornelia A1 - Koetz, Joachim A1 - Sutterlin, Martin A1 - Tiersch, Brigitte A1 - Laschewsky, Andre T1 - Thermoresponsive Polymers and Inverse Opal Hydrogels for the Detection of Diols JF - Langmuir N2 - Responsive inverse opal hydrogels functionalized by boroxole moieties were synthesized and explored as sensor platforms for various low molar mass as well as polymeric diols and polyols, including saccharides, glycopolymers and catechols, by exploiting the diol induced modulation of their structural color. The underlying thermoresponsive water-soluble copolymers and hydrogels exhibit a coil-to-globule or volume phase transition, respectively, of the LCST-type. They were prepared from oligoethylene oxide methacrylate (macro)monomers and functionalized via copolymerization to bear benzoboroxole moieties. The resulting copolymers represent weak polyacids, which can bind specifically to diols within an appropriate pH window. Due to the resulting modulation of the overall hydrophilicity of the systems and the consequent shift of their phase transition temperature, the usefulness of such systems for indicating the presence of catechols, saccharides, and glycopolymers was studied, exploiting the diol/polyol induced shifts of the soluble polymers’ cloud point, or the induced changes of the hydrogels’ swelling. In particular, the increased acidity of benzoboroxoles compared to standard phenylboronic acids allowed performing the studies in PBS buffer (phosphate buffered saline) at the physiologically relevant pH of 7.4. The inverse opals constructed of these thermo- and analyte-responsive hydrogels enabled following the binding of specific diols by the induced shift of the optical stop band. Their highly porous structure enabled the facile and specific optical detection of not only low molar mass but also of high molar mass diol/polyol analytes such as glycopolymers. Accordingly, such thermoresponsive inverse opal systems functionalized with recognition units represent attractive and promising platforms for the facile sensing of even rather big analytes by simple optical means, or even by the bare eye. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b00803 SN - 0743-7463 VL - 32 SP - 4333 EP - 4345 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Wilkens, Martin A1 - Sütterlin, Sabine A1 - Weller, Nina A1 - Horn-Conrad, Antje A1 - Kampe, Heike A1 - Eckardt, Barbara A1 - Görlich, Petra A1 - Jäger, Sophie A1 - Zimmermann, Matthias A1 - Mitsch, Wolfgang T1 - Portal Wissen = Zeit BT - Das Forschungsmagazin der Universität Potsdam N2 - „Was ist also 'Zeit'?“ seufzt Augustinus von Hippo im 11. Buch seiner „Confessiones“ melancholisch, und fährt fort „Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich einem Fragenden es erklären, weiß ich es nicht.“ Auch heute, 1584 Jahre nach Augustinus, erscheint 'Zeit' immer noch rätselhaft. Abhandlungen über das Wesen der Zeit füllen Bibliotheken. Oder eben dieses Heft. Wesensfragen sind den modernen Wissenschaften allerdings fremd. Zeit ist – zumindest in der Physik – unproblematisch. „Time is defined so that Motion looks simple“ erkärt man kurz und trocken, und verabschiedet sich damit vom Augustinischen Rätsel oder der Newtonschen Vorstellung einer absoluten Zeit, deren mathematischen Fluss man durch irdische Instrumente eh immer nur näherungsweise erfassen kann. In der Alltagssprache, selbst in den Wissenschaften, reden wir zwar weiterhin vom Fluss der Zeit, aber Zeit ist schon lange keine natürliche Gegebenheit mehr. Zeit ist vielmehr ein konventioneller Ordnungsparameter für Änderung und Bewegung. Geordnet werden Prozesse, indem eine Klasse von Prozessen als Zählsystem dient, um andere Prozesse mit ihnen zu vergleichen und anhand der temporären Kategorien „vorher“, „während“ und „nachher“ anzuordnen. Zu Galileis Zeiten galt der eigene Pulsschlag als Zeitstandard für den Flug von Kanonenkugeln. Mit zunehmender Verfeinerung der Untersuchungsmethoden erschien das zu unpraktisch: Die Weg-Zeit-Diagramme frei fliegender Kanonenkugeln erweisen sich in diesem Standard ziemlich verwackelt, schlecht reproduzierbar, und keineswegs „simpel“. Heutzutage greift man zu Cäsium-Atomen. Demnach dauert ein Prozess eine Sekunde, wenn ein 133Cs-Atom genau 9 192 631 770 Schwingungen zwischen zwei sogenannten Hyperfeinzuständen des Grundzustands vollführt hat. Und ein Meter ist die Entfernung, die Licht im Vakuum in exakt 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Glücklicherweise sind diese Daten im General Positioning System GPS hart kodiert, so dass der Nutzer sie nicht jedes Mal aufs Neue eingeben muss, wenn er wissen will, wo er ist. Aber schon morgen muss er sich vielleicht ein Applet runterladen, weil der Zeitstandard durch raffinierte Übergänge in Ytterbium ersetzt wurde. Der konventionelle Charakter des Zeitbegriffs sollte nicht dazu verführen zu glauben, alles sei irgendwie relativ und daher willkürlich. Die Beziehung eines Pulsschlags zu einer Atomuhr ist absolut, und genauso real, wie die Beziehung einer Sanduhr zum Lauf der Sonne. Die exakten Wissenschaften sind Beziehungswissenschaften. Sie handeln nicht vom Ding an sich, was Newton und Kant noch geträumt haben, sondern von Beziehungen – worauf schon Leibniz und später Mach hingewiesen haben. Kein Wunder, dass sich für andere Wissenschaften der physikalische Zeit-Standard als ziemlich unpraktisch erweist. Der Psychologie der Zeitwahrnehmung entnehmen wir – und jeder wird das bestätigen können – dass das gefühlte Alter durchaus verschieden ist vom physikalischen Alter. Je älter man ist, desto kürzer erscheinen einem die Jahre. Unter der einfachen Annahme, dass die gefühlte Dauer umgekehrt proportional zum physikalischen Alter ist, und man als Zwanzigjähriger ein physikalisches Jahr auch psychologisch als ein Jahr empfindet, ergibt sich der erstaunliche Befund, dass man mit 90 Jahren 90 Jahre ist. Und – bei einer angenommenen Lebenserwartung von 90 Jahren – mit 20 (bzw. 40) physikalischen Jahren bereits 67 (bzw. 82) Prozent seiner gefühlten Lebenszeit hinter sich hat. Bevor man angesichts der „Relativität von Zeit“ selbst in Melancholie versinkt, vielleicht die Fortsetzung des Eingangszitats von Augustinus: „Aber zuversichtlich behaupte ich zu wissen, dass es vergangene Zeit nicht gäbe, wenn nichts verginge, und nicht künftige Zeit, wenn nichts herankäme, und nicht gegenwärtige Zeit wenn nichts seiend wäre.“ Tja – oder mit Bob Dylan „The times they're a changing“. Ich wünsche Ihnen eine spannende Zeit bei der Lektüre dieser Ausgabe. Prof. Dr. Martin Wilkens Professor für Quantenoptik T3 - Portal Wissen: Das Forschungsmagazin der Universität Potsdam [Deutsche Ausgabe] - 02/2014 Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-440842 SN - 2194-4237 IS - 02/2014 ER - TY - JOUR A1 - Wilkens, Martin A1 - Sütterlin, Sabine A1 - Kampe, Heike A1 - Eckardt, Barbara A1 - Jäger, Sophie A1 - Zimmermann, Matthias T1 - Portal Wissen = Time BT - The Research Magazine of the University of Potsdam N2 - “What then is time?”, Augustine of Hippo sighs melancholically in Book XI of “Confessions” and continues, “If no one asks me, I know; if I want to explain it to a questioner, I don’t know.” Even today, 1584 years after Augustine, time still appears mysterious. Treatises about the essence of time fill whole libraries – and this magazine. However, questions of essence are alien to modern sciences. Time is – at least in physics – unproblematic: “Time is defined so that motion looks simple”, briefly and prosaically phrased, waves goodbye to Augustine’s riddle and to the Newtonian concept of absolute time, whose mathematical flow can only be approximately recorded with earthly instruments anyway. In our everyday language and even in science we still speak of the flow of time but time has not been a natural condition for quite a while now. It is rather a conventional order parameter for change and movement. Processes are arranged by using a class of processes as a counting system in order to compare other processes and to organize them with the help of the temporary categories “before”, “during”, and “after”. During Galileo’s time one’s own pulse was seen as the time standard for the flight of cannon balls. More sophisticated examination methods later made this seem too impractical. The distance-time diagrams of free-flying cannon balls turned out to be rather imprecise, difficult to replicate, and in no way “simple”. Nowadays, we use cesium atoms. A process is said to take one second when a caesium-133 atom completes 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between two hyperfine levels of the ground state. A meter is the length of the path travelled by light in a vacuum in exactly 1/299,792,458 of a second. Fortunately, these data are hard-coded in the Global Positioning System GPS so users do not have to reenter them each time they want to know where they are. In the future, however, they might have to download an app because the time standard has been replaced by sophisticated transitions to ytterbium. The conventional character of the time concept should not tempt us to believe that everything is somehow relative and, as a result, arbitrary. The relation of one’s own pulse to an atomic clock is absolute and as real as the relation of an hourglass to the path of the sun. The exact sciences are relational sciences. They are not about the thing-initself as Newton and Kant dreamt, but rather about relations as Leibniz and, later, Mach pointed out. It is not surprising that the physical time standard turned out to be rather impractical for other scientists. The psychology of time perception tells us – and you will all agree – that the perceived age is quite different from the physical age. The older we get the shorter the years seem. If we simply assume that perceived duration is inversely related to physical age and that a 20-year old also perceives a physical year as a psychological one, we come to the surprising discovery that at 90 years we are 90 years old. With an assumed life expectancy of 90 years, 67% (or 82%) of your felt lifetime is behind you at the age of 20 (or 40) physical years. Before we start to wallow in melancholy in the face of the “relativity of time”, let me again quote Augustine. “But at any rate this much I dare affirm I know: that if nothing passed there would be no past time; if nothing were approaching, there would be no future time; if nothing were, there would be no present time.” Well, – or as Bob Dylan sings “The times they are a-changin”. I wish you an exciting time reading this issue. Prof. Martin Wilkens Professor of Quantum Optics T3 - Portal Wissen: The research magazine of the University of Potsdam [Englische Ausgabe] - 02/2014 Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441497 SN - 2198-9974 IS - 02/2014 ER - TY - JOUR A1 - Couturier, Jean-Philippe A1 - Sütterlin, Martin A1 - Laschewsky, André A1 - Hettrich, Cornelia A1 - Wischerhoff, Erik T1 - Responsive Inverse Opal Hydrogels for the Sensing of Macromolecules JF - Angewandte Chemie : a journal of the Gesellschaft Deutscher Chemiker ; International edition N2 - Dual responsive inverse opal hydrogels were designed as autonomous sensor systems for (bio)macromolecules, exploiting the analyte-induced modulation of the opal's structural color. The systems that are based on oligo(ethylene glycol) macromonomers additionally incorporate comonomers with various recognition units. They combine a coil-to-globule collapse transition of the LCST type with sensitivity of the transition temperature toward molecular recognition processes. This enables the specific detection of macromolecular analytes, such as glycopolymers and proteins, by simple optical methods. While the inverse opal structure assists the effective diffusion even of large analytes into the photonic crystal, the stimulus responsiveness gives rise to strong shifts of the optical Bragg peak of more than 100nm upon analyte binding at a given temperature. The systems' design provides a versatile platform for the development of easy-to-use, fast, and low-cost sensors for pathogens. KW - hydrogels KW - photonic crystals KW - polymers KW - responsive materials KW - sensors Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1002/anie.201500674 SN - 1433-7851 SN - 1521-3773 VL - 54 IS - 22 SP - 6641 EP - 6644 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - GEN A1 - Comminges, Clément A1 - Frasca, Stefano A1 - Sütterlin, Martin A1 - Wischerhoff, Erik A1 - Laschewsky, André A1 - Wollenberger, Ursula T1 - Surface modification with thermoresponsive polymer brushes for a switchable electrochemical sensor N2 - Elaboration of switchable surfaces represents an interesting way for the development of a new generation of electrochemical sensors. In this paper, a method for growing thermoresponsive polymer brushes from a gold surface pre-modified with polyethyleneimine (PEI), subsequent layer-by-layer polyelectrolyte assembly and adsorption of a charged macroinitiator is described. We propose an easy method for monitoring the coil-to-globule phase transition of the polymer brush using an electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation (E-QCM-D). The surface of these polymer modified electrodes shows reversible switching from the swollen to the collapsed state with temperature. As demonstrated from E-QCM-D measurements using an original signal processing method, the switch is operating in three reversible steps related to different interfacial viscosities. Moreover, it is shown that the one electron oxidation of ferrocene carboxylic acid is dramatically affected by the change from the swollen to the collapsed state of the polymer brush, showing a spectacular 86% decrease of the charge transfer resistance between the two states. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 287 Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99471 ER -