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Untersuchung des Verhaltens von thermoresponsiven Polymeren auf Elektroden in Interaktion mit biomolekularen Systemen

Investigation of the behavior of thermoresponsive polymers on electrodes in interaction with biomolecular systems

  • Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von thermoresponsiven Filmen auf Goldelektroden durch Fixierung eines bereits synthetisierten thermoresponsiven Polymers. Als Basis für die Entwicklung der responsiven Grenzfläche dienten drei unterschiedliche Copolymere (Polymere I, II und III) aus der Gruppe der thermisch schaltbaren Poly(oligo(ethylenglykol)methacrylate). Die turbidimetrischen Messungen der Copolymere in Lösungen haben gezeigt, dass der Trübungspunkt vom pH-Wert, der Gegenwart von Salzen sowie von der Ionenstärke der Lösung abhängig ist. Nach der Charakterisierung der Polymere in Lösung wurden Experimente der kovalenten Kopplung der Polymere I bis III an die Oberfläche der Gold-Elektroden durchgeführt. Während bei Polymeren I und II die Ankopplung auf einer Amidverbrückung basierte, wurde bei Polymer III als alternative Methode zur Immobilisierung eine photoinduzierte Anbindung unter gleichzeitiger Vernetzung gewählt. Der Nachweis der erfolgreichen Ankopplung erfolgte bei allen PolymerenDiese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von thermoresponsiven Filmen auf Goldelektroden durch Fixierung eines bereits synthetisierten thermoresponsiven Polymers. Als Basis für die Entwicklung der responsiven Grenzfläche dienten drei unterschiedliche Copolymere (Polymere I, II und III) aus der Gruppe der thermisch schaltbaren Poly(oligo(ethylenglykol)methacrylate). Die turbidimetrischen Messungen der Copolymere in Lösungen haben gezeigt, dass der Trübungspunkt vom pH-Wert, der Gegenwart von Salzen sowie von der Ionenstärke der Lösung abhängig ist. Nach der Charakterisierung der Polymere in Lösung wurden Experimente der kovalenten Kopplung der Polymere I bis III an die Oberfläche der Gold-Elektroden durchgeführt. Während bei Polymeren I und II die Ankopplung auf einer Amidverbrückung basierte, wurde bei Polymer III als alternative Methode zur Immobilisierung eine photoinduzierte Anbindung unter gleichzeitiger Vernetzung gewählt. Der Nachweis der erfolgreichen Ankopplung erfolgte bei allen Polymeren elektrochemisch mittels Cyclovoltammetrie und Impedanzspektroskopie in K3/4[Fe(CN)6]-Lösungen. Wie die Ellipsometrie-Messungen zeigten, waren die erhaltenen Polymer-Filme unterschiedlich dick. Die Ankopplung über Amidverbrückung lieferte dünne Filme (10 – 15 nm), während der photovernetzte Film deutlich dicker war (70-80 nm) und die darunter liegende Oberfläche relativ gut isolierte. Elektrochemische Temperaturexperimente an Polymer-modifizierten Oberflächen in Lösungen in Gegenwart von K3/4[Fe(CN)6] zeigten, dass auch die immobilisierten Polymere I bis III responsives Temperaturverhalten zeigen. Bei Elektroden mit den immobilisierten Polymeren I und II ist der Temperaturverlauf der Parameterwerte diskontinuierlich – ab einem kritischen Punkt (37 °C für Polymer I und 45 °C für Polymer II) wird zunächst langsame Zunahme der Peakströme wird deutlich schneller. Das Temperaturverhalten von Polymer III ist dagegen bis 50 °C kontinuierlich, der Peakstrom sinkt hier durchgehend. Weiterhin wurde mit den auf Polymeren II und III basierten Elektroden deren Anwendung als responsive Matrix für Bioerkennungsreaktionen untersucht. Es wurde die Ankopplung von kleinen Biorezeptoren, TAG-Peptiden, an Polymer II- und Polymer III-modifizierten Elektroden durchgeführt. Das hydrophile FLAG-TAG-Peptid verändert das Temperaturverhalten des Polymer II-Films unwesentlich, da es die Hydrophilie des Netzwerkes nicht beeinflusst. Weiterhin wurde der Effekt der Ankopplung der ANTI-FLAG-TAG-Antikörper an FLAG-TAG-modifizierte Polymer II-Filme untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Antikörper spezifisch an FLAG-TAG-modifiziertes Polymer II binden. Es wurde keine unspezifische Anbindung von ANTI-FLAG-TAG an Polymer II beobachtet. Die Temperaturexperimente haben gezeigt, dass die thermische Restrukturierung des Polymer II-FLAG-TAG-Filmes auch nach der Antikörper-Ankopplung noch stattfindet. Der Einfluss der ANTI-FLAG-TAG-Ankopplung ist gering, da der Unterschied in der Hydrophilie zwischen Polymer II und FLAG-TAG bzw. ANTI-FLAG-TAG zu gering ist. Für die Untersuchungen mit Polymer III-Elektroden wurde neben dem hydrophilen FLAG-TAG-Peptid das deutlich hydrophobere HA-TAG-Peptid ausgewählt. Wie im Falle der Polymer II Elektrode beeinflusst das gekoppelte FLAG-TAG-Peptid das Temperaturverhalten des Polymer III-Netzwerkes nur geringfügig. Die gemessenen Stromwerte sind geringer als bei der Polymer III-Elektrode. Das Temperaturverhalten der FLAG-TAG-Elektrode ähnelt dem der reinen Polymer III-Elektrode – die Stromwerte sinken kontinuierlich bis die Temperatur von ca. 40 °C erreicht ist, bei der ein Plateau beobachtet wird. Offensichtlich verändert FLAG-TAG auch in diesem Fall nicht wesentlich die Hydrophilie des Polymer III-Netzwerkes. Das an Polymer III-Elektroden gekoppelte hydrophobe HA-TAG-Peptid beeinflusst dagegen im starken Maße den Quellzustand des Netzwerkes. Die Ströme für die HA-TAG-Elektroden sind deutlich geringer als die für die FLAG-TAG-Polymer III-Elektroden, was auf geringeren Wassergehalt und dickeren Film zurückzuführen ist. Bereits ab 30 °C erfolgt der Anstieg von Stromwerten, der bei Polymer III- bzw. bei Polymer III-FLAG-TAG-Elektroden nicht beobachtet werden kann. Das gekoppelte hydrophobe HA-TAG-Peptid verdrängt Wasser aus dem Polymer III-Netzwerk, was in der Stauchung des Films bereits bei Raumtemperatur resultiert. Dies führt dazu, dass der Film im Laufe des Temperaturanstieges kaum noch komprimiert. Die Stromwerte steigen in diesem Fall entsprechend des Anstiegs der temperaturabhängigen Diffusion des Redoxpaares. Diese Untersuchungen zeigen, dass das HA-TAG-Peptid als Ankermolekül deutlich besser für eine potentielle Verwendung der Polymer III-Filme für sensorische Zwecke geeignet ist, da es sich deutlich in der Hydrophilie von Polymer III unterscheidet.show moreshow less
  • This work describes the immobilization and characterization of thermoresponsive polymer films on gold electrodes. The immobilized films were thermoresponsive copolymers (polymers I, II and III) from the group of poly(oligo(ethylene glycol)methacrylates). After the synthesis, the aqueous solutions of copolymers in presence of (buffering) salts were investigated. The turbidimetry measurements revealed that the responsive behaviour of the polymers strongly depends on the pH and the ionic strength of the solution. After the studies in the solution, experiments on the covalent immobilization of the polymers on gold electrodes were performed. The fixation strategy for the polymers I and II was based on the amide coupling. The polymer III was immobilized by irradiation with UV-light. The successful immobilization was proved by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements in solutions containing K3/4[Fe(CN)6]. The ellipsometry measurements showed that the obtained films were of different thickness. Polymer IThis work describes the immobilization and characterization of thermoresponsive polymer films on gold electrodes. The immobilized films were thermoresponsive copolymers (polymers I, II and III) from the group of poly(oligo(ethylene glycol)methacrylates). After the synthesis, the aqueous solutions of copolymers in presence of (buffering) salts were investigated. The turbidimetry measurements revealed that the responsive behaviour of the polymers strongly depends on the pH and the ionic strength of the solution. After the studies in the solution, experiments on the covalent immobilization of the polymers on gold electrodes were performed. The fixation strategy for the polymers I and II was based on the amide coupling. The polymer III was immobilized by irradiation with UV-light. The successful immobilization was proved by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements in solutions containing K3/4[Fe(CN)6]. The ellipsometry measurements showed that the obtained films were of different thickness. Polymer I and II films obtained from the amide coupling were thinner (10 – 15 nm) compared to photolytically immobilized polymer III films (70-80 nm). Electrochemical temperature experiments on polymer modified electrodes in K3/4[Fe(CN)6] solutions showed that the polymer I, II and III retain the responsivity after the fixation on the electrode surface. The thermoresponsive behaviour of the thin polymer I and II films is discontinuous – after the achieving of the critical temperature point (37 °C for polymer I and 45 °C for polymer II) the increase of the peak currents changes significantly and becomes faster hinting at the restructuration process. In contrast to this the temperature behaviour of the polymer III films is continuous in the temperature range between 25 and 50 °C. The peak currents for the polymer III electrodes decrease with increasing temperature. Furthermore, the application of polymer II and polymer III surfaces as a responsive platform for bio-recognition reactions was investigated. For this purpose, the coupling of small bioreceptors (tag peptides) on polymer films was performed. It was found that the hydrophilic FLAG-TAG peptide does not significantly alter the temperature behaviour of the polymer II film because it does not affect the hydrophilicity of the network. Additionally, the effect of coupling the ANTI-FLAG-TAG antibodies to FLAG-TAG-modified polymer II films was investigated. It was shown that the antibodies specifically bind to FLAG-TAG-modified polymer II. No nonspecific binding of ANTI-FLAG-TAG to polymer II was observed. The temperature experiments have shown that the thermal restructuring of the polymer II-FLAG-TAG film still takes place after antibody coupling. The influence of ANTI-FLAG-TAG coupling is low, since the difference in the hydrophilicity between polymer II and FLAG-TAG or ANTI-FLAG-TAG is too low. In addition to the hydrophilic FLAG-TAG peptide, the significantly more hydrophobic HA-TAG peptide was selected for the investigations with polymer III electrodes. As in the case of the polymer II electrode, the coupled FLAG-TAG peptide only slightly affects the temperature behaviour of the polymer III network. The measured current values are lower than for the polymer III electrode. The temperature behaviour of the FLAG-TAG electrode resembles that of the pure polymer III electrode - the current values sink continuously until the temperature of approx. 40 ° C is reached, at which a plateau is observed. Obviously, FLAG-TAG does not significantly alter the hydrophilicity of the polymer III network even in this case. The hydrophobic HA-TAG peptide coupled to polymer III electrodes, on the other hand, strongly influences the swelling state of the network. The currents for the HA-TAG electrodes are significantly lower than those for the FLAG-TAG polymer III electrodes, which is due to lower water content and thicker film. The increase in current values occurs at temperatures as low as 30 ° C, which cannot be observed with polymer III or with polymer III FLAG TAG electrodes. The coupled hydrophobic HA-TAG peptide displaces water from the polymer III network, resulting in the compression of the film even at room temperature. As a result, the film hardly compresses during the temperature rise. The current values increase in this case according to the increase in the temperature-dependent diffusion of the redox pair. These studies show that the HA-TAG peptide as an anchoring molecule is much better suited for a potential use of the polymer III films for sensory purposes since it is clearly different in the hydrophilicity of polymer III.show moreshow less

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Metadaten
Author:Artur FandrichORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396551
Advisor:Burkhard Schulz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2017/04/28
Release Date:2017/06/15
Tag:Biosensor; Cyclovoltammetrie; Elektrochemie; Polymer; thermoresponsiv
biosensor; cyclic voltammetry; electrochemistry; polymer; thermoresponsive
Pagenumber:111
RVK - Regensburg Classification:VE 8007
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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