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In this work, a novel electrochemical molecularly imprinted polymer (MIP) sensor for the detection of the lipopeptide antibiotic Daptomycin (DAP) is presented which integrates gold decorated platinum nanoparticles (Au-Pt NPs) into the nanocomposite film. The sensor was prepared by electropolymerization of o-phenylenediamine (o-PD) in the presence of DAP using cyclic voltammetry. Cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry were applied to follow the changes in the MIP-layer related to rebinding and removal of the target DAP by using the redox marker [Fe(CN)(6)](3-/4-). Under optimized operational conditions, the MIP/Au-Pt NPs/ GCE nanosensor exhibits a linear response in the range of 1-20 pM towards DAP. The limit of detection and limit of quantification were determined to be 0.161pM +/- 0.012 and 0.489pM +/- 0.012, respectively. The sensitivity towards the antibiotics Vancomycin and Erythromycin and the amino acids glycine and tryptophan was below 7 percent as compared with DAP. Moreover, the nanosensor was also successfully used for the detection of DAP in deproteinated human serum samples.
The synthesis, structure, and photocatalytic water splitting performance of two new titania (TiO2)/gold(Au)/Bombyx mori silk hybrid materials are reported. All materials are monoliths with diameters of up to ca. 4.5 cm. The materials are macroscopically homogeneous and porous with surface areas between 170 and 210 m(2)/g. The diameter of the TiO2 nanoparticles (NPs) - mainly anatase with a minor fraction of brookite - and the Au NPs are on the order of 5 and 7-18 nm, respectively. Addition of poly(ethylene oxide) to the reaction mixture enables pore size tuning, thus providing access to different materials with different photocatalytic activities. Water splitting experiments using a sunlight simulator and a Xe lamp show that the new hybrid materials are effective water splitting catalysts and produce up to 30 mmol of hydrogen per 24 h. Overall the article demonstrates that the combination of a renewable and robust scaffold such as B. mori silk with a photoactive material provides a promising approach to new monolithic photocatalysts that can easily be recycled and show great potential for application in lightweight devices for green fuel production.
The synthesis, structure, and photocatalytic water splitting performance of two new titania (TiO 2 )/gold(Au)/Bombyx mori silk hybrid materials are reported. All materials are monoliths with diameters of up to ca. 4.5 cm. The materials are macroscopically homogeneous and porous with surface areas between 170 and 210 m 2/g. The diameter of the TiO 2 nanoparticles (NPs) – mainly anatase with a minor fraction of brookite – and the Au NPs are on the order of 5 and 7–18 nm, respectively. Addition of poly(ethylene oxide) to the reaction mixture enables pore size tuning, thus providing access to different materials with different photocatalytic activities. Water splitting experiments using a sunlight simulator and a Xe lamp show that the new hybrid materials are effective water splitting catalysts and produce up to 30 mmol of hydrogen per 24 h. Overall the article demonstrates that the combination of a renewable and robust scaffold such as B. mori silk with a photoactive material provides a promising approach to new monolithic photocatalysts that can easily be recycled and show great potential for application in lightweight devices for green fuel production.
This study reports on the investigation of a thermoresponsive polymer as a thin film on electrodes and the influence of coupling a peptide and an antibody to the film. The utilized polymer from the class of poly(oligoethylene glycol)-methacrylate polymers (poly(OEGMA)) with carboxy functions containing side chains was synthesized and properly characterized in aqueous solutions. The dependence of the cloud point on the pH of the surrounding media is discussed. The responsive polymer was immobilized on gold electrodes as shown by electrochemical, quartz crystal microbalance (QCM), and atomic force microscopy (AFM) techniques. The temperature dependent behavior of the polymer covalently grafted to gold substrates is investigated using cyclic voltammetry (CV) in ferro-/ferricyanide solution. Significant changes in the slope of the temperature-dependence of the voltammetric peak current and the peak separation values clearly indicate the thermally induced conformational change on the surface. Finally, a biorecognition reaction between a short FLAG peptide (N-Asp-Tyr-Lys-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys-C) covalently immobilized on the polymer interface and the corresponding IgG antibody was performed. The study shows that the responsiveness of the electrode is retained after peptide coupling and antibody binding, although the response is diminished.
Fabrication of Au@Pt multibranched nanoparticles and their application to in situ SERS monitoring
(2014)
Here, we present an Au@Pt core-shell multibranched nanoparticle as a new substrate capable of in situ surface-enhanced Raman scattering (SERS), thereby enabling monitoring of the catalytic reaction on the active surface. By careful control of the amount of Pt deposited bimetallic Au@Pt, nanoparticles with moderate performance both for SERS and catalytic activity were obtained. The Pt-catalyzed reduction of 4-nitrothiophenol by borohydride was chosen as the model reaction. The intermediate during the reaction was captured and clearly identified via SERS spectroscopy. We established in situ SERS spectroscopy as a promising and powerful technique to investigate in situ reactions taking place in heterogeneous catalysis.
Herein, a facile method is presented to integrate large gold nanoflowers (similar to 80 nm) and small gold nanoparticles (2-4 nm) into a single entity, exhibiting both surface-enhanced Raman scattering (SERS) and catalytic activity. The as-prepared gold nanoflowers were coated by a gelatin layer, in which the gold precursor was adsorbed and in situ reduced into small gold nanoparticles. The thickness of the gelatin shell is controlled to less than 10 nm, ensuring that the small gold nanoparticles are still in a SERS-active range of the inner Au core. Therefore, the reaction catalyzed by these nanocomposites can be monitored in situ using label-free SERS spectroscopy. In addition, these bifunctional nanocomposites are also attractive candidates for application in SERS monitoring of bioreactions because of their excellent biocompatibility.
This work presents a fabrication of thermoresponsive plasmonic core-satellite nanoassemblies. The structure has a silica nanoparticle core surrounded by gold nanoparticle satellites using thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) chains as scaffolds. The thiol-terminated PNIPAM shell is densely grafted on the silica core via surface-initiated reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization and used to anchor numerous gold nanoparticle satellites with a tunable stoichiometry. Below and above lower critical solution temperature, the chain conformation of PNIPAM reversibly changes between swollen and shrunken state. The reversible change of the polymer size varies the refractive index of the local medium surrounding the satellites and the distance between them. The two effects together lead to the thermoresponsive plasmonic properties of the nanoassemblies. Under different satellite densities, two distinctive plasmonic features appear.
Ultrafast heat transport in nanoscale metal multilayers is of great interest in the context of optically induced demagnetization, remagnetization and switching. If the penetration depth of light exceeds the bilayer thickness, layer-specific information is unavailable from optical probes. Femtosecond diffraction experiments provide unique experimental access to heat transport over single digit nanometer distances. Here, we investigate the structural response and the energy flow in the ultrathin double-layer system: gold on ferromagnetic nickel. Even though the excitation pulse is incident from the Au side, we observe a very rapid heating of the Ni lattice, whereas the Au lattice initially remains cold. The subsequent heat transfer from Ni to the Au lattice is found to be two orders of magnitude slower than predicted by the conventional heat equation and much slower than electron-phonon coupling times in Au. We present a simplified model calculation highlighting the relevant thermophysical quantities.
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.
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.
Remote sensing analysis is a crucial tool for monitoring the extent of mine waste surfaces and their mineralogy in countries with a long mining history, such as South Africa, where gold and platinum have been produced for over 90 years. These mine waste sites have the potential to contain problematic trace element species (e. g., U, Pb, Cr). In our research, we aim to combine the mapping and monitoring capacities of multispectral and hyperspectral spaceborne sensors. This is done to assess the potential of existing multispectral and hyperspectral spaceborne sensors (OLI and Hyperion) and future missions, such as Sentinel-2 and EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program), for mapping the spatial extent of these mine waste surfaces. For this task we propose a new index, termed the iron feature depth (IFD), derived from Landsat-8 OLI data to map the 900-nm absorption feature as a potential proxy for monitoring the spatial extent of mine waste. OLI was chosen, because it represents the most suitable sensor to map the IFD over large areas in a multi-temporal manner due to its spectral band layout; its (183 km x 170 km) scene size and its revisiting time of 16 days. The IFD is in good agreement with primary and secondary iron-bearing minerals mapped by the Material Identification and Characterization Algorithm (MICA) from EO-1 Hyperion data and illustrates that a combination of hyperspectral data (EnMAP) for mineral identification with multispectral data (Sentinel-2) for repetitive area-wide mapping and monitoring of the IFD as mine waste proxy is a promising application for future spaceborne sensors. A maximum, absolute model error is used to assess the ability of existing and future multispectral sensors to characterize mine waste via its 900-nm iron absorption feature. The following sensor-signal similarity ranking can be established for spectra from gold mining material: EnMAP 100% similarity to the reference, ALI 97.5%, Sentinel-2 97%, OLI and ASTER 95% and ETM+ 91% similarity.
With ongoing miniaturization of electronic devices, the need for individually addressable, switchable molecules arises. An example are azobenzenes on surfaces which have been shown to be switchable between trans and cis forms. Here, we examine the "direct" (rather than substrate-mediated) channel of the trans -> cis photoisomerization after pi pi* excitation of tetra-tert-butyl-azobenzene physisorbed on surfaces mimicking Au(111) and Bi(111), respectively. In spirit of the direct channel, the electronic structure of the surface is neglected, the latter merely acting as a rigid platform which weakly interacts with the molecule via Van-der-Waals forces. Starting from thermal ensembles which represent the trans-form, sudden excitations promote the molecules to pi pi*-excited states which are non-adiabatically coupled among themselves and to a n pi*-excited and the ground state, respectively. After excitation, relaxation to the ground state by internal conversion takes place, possibly accompanied by isomerization. The process is described here by "on the fly" semiclassical surface hopping dynamics in conjunction with a semiempirical Hamiltonian (AM1) and configuration-interaction type methods. It is found that steric constraints imposed by the substrate lead to reduced but non-vanishing, trans -> cis reaction yields and longer internal conversion times than for the isolated molecule. Implications for recent experiments for azobenzenes on surfaces are discussed.
In dieser Arbeit wurden sphärische Gold Nanopartikel (NP) mit einem Durchmesser größer ~ 2 nm, Gold Quantenpunkte (QDs) mit einem Durchmesser kleiner ~ 2 nm sowie Gold Nanostäbchen (NRs) unterschiedlicher Länge hergestellt und optisch charakterisiert. Zudem wurden zwei neue Synthesevarianten für die Herstellung thermosensitiver Gold QDs entwickelt werden. Sphärische Gold NP zeigen eine Plasmonenbande bei ~ 520 nm, die auf die kollektive Oszillation von Elektronen zurückzuführen ist. Gold NRs weisen aufgrund ihrer anisotropen Form zwei Plasmonenbanden auf, eine transversale Plasmonenbande bei ~ 520 nm und eine longitudinale Plasmonenbande, die vom Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis der Gold NRs abhängig ist. Gold QDs besitzen keine Plasmonenbande, da ihre Elektronen Quantenbeschränkungen unterliegen. Gold QDs zeigen jedoch aufgrund diskreter Energieniveaus und einer Bandlücke Photolumineszenz (PL). Die synthetisierten Gold QDs besitzen eine Breitbandlumineszenz im Bereich von ~ 500-800 nm, wobei die Lumineszenz-eigenschaften (Emissionspeak, Quantenausbeute, Lebenszeiten) stark von den Herstellungs-bedingungen und den Oberflächenliganden abhängen. Die PL in Gold QDs ist ein sehr komplexes Phänomen und rührt vermutlich von Singulett- und Triplett-Zuständen her. Gold NRs und Gold QDs konnten in verschiedene Polymere wie bspw. Cellulosetriacetat eingearbeitet werden. Polymernanokomposite mit Gold NRs wurden erstmals unter definierten Bedingungen mechanisch gezogen, um Filme mit optisch anisotropen (richtungsabhängigen) Eigenschaften zu erhalten. Zudem wurde das Temperaturverhalten von Gold NRs und Gold QDs untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine lokale Variation der Größe und Form von Gold NRs in Polymernanokompositen durch Temperaturerhöhung auf 225-250 °C erzielt werden kann. Es zeigte sich, dass die PL der Gold QDs stark temperaturabhängig ist, wodurch die PL QY der Proben beim Abkühlen (-7 °C) auf knapp 30 % verdoppelt und beim Erhitzen auf 70 °C nahezu vollständig gelöscht werden konnte. Es konnte demonstriert werden, dass die Länge der Alkylkette des Oberflächenliganden einen Einfluss auf die Temperaturstabilität der Gold QDs hat. Zudem wurden verschiedene neuartige und optisch anisotrope Sicherheitslabels mit Gold NRs sowie thermosensitive Sicherheitslabel mit Gold QDs entwickelt. Ebenso scheinen Gold NRs und QDs für die und die Optoelektronik (bspw. Datenspeicherung) und die Medizin (bspw. Krebsdiagnostik bzw. -therapie) von großem Interesse zu sein.