Bachelor and Master Theses

Ziel der Masterarbeit war die Entwicklung eines mikrofluidischen Systems zur optimierten Synthese von Silber-Nanoprismen. Optimiert werden sollte die Reproduzierbarkeit sowie die Prismenausbeute. Als Basis diente die Batchsynthese nach Aherne 2008, sowie die mikrofluidische Seedsynthese von Thiele 2013. Es stand eine Vielzahl mikrofluidischer Systemkomponenten zur Verfügung, wobei die Aufgabe in der Auswahl und Anordnung sowie der Prozessführung des Systems bestand. Im Verlauf der Masterarbeit wurden mehrere mikrofluidische Systeme getestet, um eine optimale Methode für den Wachstumsschritt der Prismensynthese zu erzielen. Dabei wurden Referenzen synthetisiert, ein Basiskonzept erstellt und die einzelnen Parameter überprüft. Das Synthesekonzept durchlief verschiedene Optimierungsschritte. Zuerst wurde ein einfaches Ein-Mischer-System (4.3 - S. 25) mit zwei Edukteingängen getestet. Ascorbinsäure, Wasser und Seeds wurden in der Versuchsvorbereitung gemischt und über einen Dean-Flow-Mischer mit Silbernitrat versetzt. Das anschließende Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Aufgrund der geringen Intensität der Produkte wurde ein zusätzlicher Edukteingang durch einen weiteren Dean-Flow-Mischer angelegt. In dem Zwei-Mischer-System (4.4 - S. 27) wurden die Edukte Ascorbinsäure, Seeds und Silbernitrat über getrennte Spritzen dosiert. Die 5 ml Wasser wurden in der Versuchsvorbereitung auf die Edukte aufgeteilt. Mit diesem System konnte die Intensität der Prismen im UV-Vis Spektrometer gesteigert werden. Jedoch war die Prismenausbeute noch nicht optimal. Daher wurden der Einfluss der Ascorbinsäurekonzentration sowie des Tetradecans auf das Wachstum untersucht. Die Auswertung ergab, dass die Parameter diesbezüglich zufriedenstellend eingestellt waren. Eine Untersuchung der Eduktstabilität ergab, dass durch die Verdünnung der Seeds deren Stabilität beeinträchtigt wurde. Eine Änderung des Versuchsablaufs mit unverdünnten Seeds ergab jedoch nur eine geringfügige Verbesserung. Daher wurde ein neue Systemaufbau geplant. Das nachfolgende System umfasste 4 Mischer (4.5 - S. 36). Jedes Edukt wurde über eine einzelne Spritzen dosiert. Um die großen Volumenstromunterschiede auszugleichen wurde der Wasserstrom durch ein T-Stück aufgeteilt, sodass die Verdünnung in zwei Stufen erfolgte. Neben einem Split&Recombine Mischer, für die Mischung der Ascorbinsäure und Seeds bei geringen Flussraten, wurden drei Dean-Flow-Mischer für die stufenweise Verdünnung und die Mischung mit Silbernitrat verwendet. Das Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Über eine Kinetikmessung konnte ermittelt werden, dass nach 3,2 Minuten ˜87 % der maximalen Extinktion erreicht wurden. Das Wachstum war nach 11,2 Minuten vollständig abgeschlossen. Im anschließenden Versuch wurden die Parameter des segmentierten Flusses (SF) hin zu einer stabileren Segmentbildung überarbeitet. Durch Variation der Flussraten wurde eine optimierte Prismenausbeute bei höheren Flussraten festgestellt. Jedoch stand dies im Gegensatz zu einer möglichst langen Verweilzeit und einem stabilen segmentierten Fluss. Als Alternative zum SF wurde eine 96-Well-Platte zur räumlichen Trennung der Reaktionssegmente ohne Tetradecan genutzt. Hierbei ist die Verweilzeit unabhängig vom Produktvolumenstrom und kann beliebig erweitert werden. Um eine Oxidation der Prismen durch Sauerstoff zu minimieren wurde die 96-Well-Platte vor der Synthese mit Argon geflutet und nach der Synthese mit einem Deckel abgedeckt. Es zeigte sich, dass hiermit eine Prismensynthese bei einer hohen Produktflussrate in Kombination mit einer langen Verweilzeit möglich ist. Anschließend wurde der Einfluss der mikrofluidischen Mischer und Verweilschlaufen untersucht. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit wurde die Wasserteilung entfernt. Zudem konnte bei kritischer Hinterfragung ein positiver Einfluss der Eduktverweilschleife nicht festgestellt werden. Im Folgenden wurde auch diese ausgebaut. Das so entstandene Drei-Mischer-System (4.6 - S. 43) stellt das Endkonzept für das Prismenwachstum dar. Es besteht aus einem S&R-Mischer für die Mischung der Ascorbinsäure mit den Seeds. Anschließend erfolgt eine Verdünnung mit Wasser und daraufhin die Zugabe von Silbernitrat in jeweils einem DF-Mischer. Das Wachstum findet in einer mit Argon gefluteten 96-Well-Platte statt. Die letzten zwei Versuchsreihen dienten der Überprüfung der Reproduzierbarkeit sowie der Größeneinstellbarkeit. Es wurde die Prismenausbeute und die Größenverteilung ermittelt. Die Übereinstimmung zweier Proben bei identischen Syntheseparametern konnte durch die mikrofluidische Synthese sichtbar verbessert werden. Die rechnerische Auswertung der Halbwertsbreite ergab eine deutliche Optimierung der Größenverteilung, sodass die Peakbreite jeder mikrofluidischen Probe geringer ausfiel als die Peakbreite der optimierten (computergesteuerten) Batchproben. Der Vergleich mit weiteren, normalen Batchreferenzen bestätigte dies, wobei die Unterschiede noch deutlicher ausfielen. Kritisch betrachtet ist das wichtigste Maß der Synthesequalität die Prismenausbeute. Bei einem Seedvolumen von 120 [my]l konnte nur eine kleinere Verbesserung der mikrofluidischen Prismenausbeute ([my] = Ø 36 % gegenüber b = Ø 33 %) festgestellt werden. Bei einem Seedvolumen von 60 [my]l beträgt die mikrofluidische Prismenausbeute 64 % und zeigt somit eine deutlichere Verbesserung gegenüber der Batchreferenzsynthese mit 51 %. Prismenausbeute.

Die Verwendung von Halogenverbindungen, nämlich Chlor und Brom, war in vielen verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Daher spielte die Analyse der Halogenverbindung eine wichtige Rolle. Die Methode zur Analyse des Halogens in einer organischen und einer anorganischen Verbindung wurde in der Studie vorgestellt. Normalerweise gab es zwei getrennte Schritte bei der Analyse einer Halogenverbindung. Der erste Schritt der Studie war die Auflösung der Verbindung in einer wässrigen Phase. Für eine Organohalogenverbindung wurde die Verbindung in Halogenwasserstoffe umgewandelt und in die Absorptionslösung absorbiert, in der das Sauerstoffverbrennungskolbenverfahren angewendet wurde. Die hergestellte Analytlösung wurde dann gegen die AgNO3-Lösung titriert. In der Studie wurden zwei Standard-Niederschlagstitrationsmethoden angewendet, nämlich die Fajans- und die Mohr-Titration, bei denen visuelle Indikatoren für die Endpunktbestimmung verwendet wurden. Eine andere war die potentiometrische Fällungstitration, bei der das elektrochemische Prinzip verwendet wurde, bei dem eine Elektrode als Indikator verwendet wurde. Die analysierten Daten zeigten, dass die Halogenverbindung bei nur 2,5 × 10-5 Mol in 5 ml Lösung oder äquivalent zu 0,8863 mg Chlor und 5 × 10-6 Mol in 5 ml Lösung oder Äquivalent zu 0,3995 mg bestimmt werden kann von Brom. In der Studie wurden drei verschiedene Organohalogenverbindungen getestet: 3-Chlorbenzoesäure, 5-Bromovanillin und 1-Brom-4-chlorbenzol. Sechs Datenproben wurden für 3-Chlorbenzoesäure mit einem Ergebnis von 22.800,23 % Cl (Massenfraktionsrückgewinnung%) mit einem mittleren absoluten prozentualen Fehlerwert (MAPE) von 0,17 % entnommen. Während für das 5-Bromovanillin und 1-Brom-4-chlorbenzol jeweils 4 Datenproben entnommen wurden. Das Ergebnis von 5-Bromovanillin betrug 34,230,61 % Br mit einem MAPE-Wert von 0,23 %. Das letztere war das 1-Brom-4-chlorbenzol-Ergebnis, das 41,050,73 % Br mit einem MAPE-Wert von 0,28 % und 18,700,09 % Cl mit einem MAPE-Wert von 0,18 % betrug. Aus dem Datenergebnis kann geschlossen werden, dass die in der Studie verwendeten Methoden erfolgreich etabliert wurden.

Hydrogel hat in letzter Zeit aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, einschließlich der Wasserabsorptionsfähigkeit, Flexibilität, Vielseitigkeit, Reizempfindlichkeit, weichen Struktur und seiner Eignung als artifizielles Gewebe, Aufmerksamkeit erregt. Hydrogele werden aufgrund ihrer Biokompatibilität, geringen Immunogenität und biologischen Abbaubarkeit in vielen Bereichen wie der biomedizinischen Anwendung eingesetzt. Hier konzentriert sich die Arbeit hauptsächlich auf die Modifikation von Standardkollagenhydrogelen, die für die Hornhautimplantate verwendet werden. Kollagen Typ I wurde aufgrund seiner Existenz in der Hornhaut ausgewählt und kann leicht eine 3D-Struktur von Hydrogelen bilden. Es wurden interessante Ergebnisse gefunden, wie die bestimmten Parameter das stabilisierte Kollagen Hydrogel beeinflussten. Bei diesem Ansatz wurde die Modifikation des Kollagenhydrogels unter Verwendung eines Proteoglykans durchgeführt, nämlich Decorin, da Decorin ein kleines Leucin-reiches Proteoglycan ist, das natürlicherweise in hohen Mengen vorhanden ist und an Kollagen im Hornhautstroma bindet. Decorin spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von Kollagenfibrillen und ECM, um die Transparenz der Hornhaut aufrechtzuerhalten. Die andere Modifikation des Kollagenhydrogels war die Zugabe von riboflavin and UV licht. Das photochemisch wurde auch zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Hydrogel verwendet. Die Transparenz wurde in der UV-Vis-Spektrometrie bei 210 bis 1100 nm unter Verwendung von zwei verschiedenen Formulierungen gemessen, wobei eine Decorin-und eine Decorin mit riboflavin and UV licht Formulierung verwendete. Experimentelle Beweise zeigten, dass die Vernetzung von Decorin und Riboflavin zu einer verbesserten mechanischen Stabilität beiträgt und die Transparenz gleich bleibt. Die Kollagenaseenzymstudie zeigte, dass keine Hydrogelbildung gefunden werden konnte, die die Verwendung als synthetische Lenticule ermöglicht

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung von tropfenbasierter Mikrofluidik für die Kultivierung von Mikrosporen der Pflanzenart Brassica napus. Unter Stressbedingungen (z.B. hohe Temperaturen) können die Mikrosporen umprogrammiert und die sogenannte Androgenese eingeleitet werden. Auf diese Weise können Embryonen und später adulte, doppelt haploide Pflanzen ohne vorherige Befruchtung aus männlichen Geschlechtszellenvorläufern erzeugt werden. Dieser Prozess stellt eine wichtige Grundlage für die Pflanzenzucht dar und soll durch Miniaturisierung und Automatisierung weiter beschleunigt und optimiert werden. In ersten Versuchen zeigt diese Arbeit die Möglichkeit ein solches Vorhaben zu verwirklichen. Zunächst wurde dazu ein apparativer Aufbau zur Generation von Mikrofluidsegmenten mit definierten Zellzahlen etabliert. Damit konnten anschließend verschiedene Einflussfaktoren wie Zelldichte, Schlauchmaterial und -größe, Sauerstoffgehalt und Hitzeschockbedingungen im schlauchbasierten System untersucht werden. Weiterhin wurden die mikrofluidischen Methoden dynamische Kultivierung und nLZudosierung zur Verfahrensoptimierung evaluiert. Die Möglichkeit einer mikrofluidischen Dosis-Wirkungs-Untersuchung an den Mikrosporen mit guter Auflösung, konnte ebenfalls demonstriert werden. Zur Auswertung der Versuche wurde die Größenverteilung der Mikrosporen mit einem speziell dafür entwickelten KI-Zelldetektionsprogramm ermittelt sowie der prozentuale Anteil der gebildeten Embryonen im Verhältnis zur eingesetzten Gesamtmikrosporenzahl berechnet. Erwachsene Pflanzen aus den Embryonen wurden schließlich auf einem Gamborg B5 Agarmedium und später in Erde herangezogen. Die Anwendung der mikrofluidischen Methodik für die Mikrosporen wurde zudem auf ein tropfenbasiertes Chipsystem ausgeweitet, welches für Einzelzellstudien geeignet ist. Es wurde ein funktionierendes System im kleinen Maßstab etabliert, mit welchem Mikrosporen der Brassica napus in Mikrofluidsegmenten kultiviert und Embryonen mit einer, im Verhältnis zu klassischen Methoden, hohen Rate erzeugt werden konnten.

In dieser Arbeit wurde mit Hilfe des Tetrazoliumsalzes 5-Cyano-2,3-ditolyl tetrazoliumchlorid (CTC) eine Nachweismethode für Bakterien entwickelt.