Studienabschlussarbeiten am Institut

Die 2,5-substituierten 4-Hydroxythiazole bilden eine fluoreszente Farbstoffklasse mit, in weiten Grenzen, einstellbaren Absorptions-und Emissionswellenlängen. Die gewonnenen Erkenntnisse über diese heterozyklischen Fluoreszenzsysteme sollen der Erschließung alternativer Einsatzmöglichkeiten solcher Moleküle in den verschiedenen Anwendungsgebieten der Biologie, Chemie und Technik beitragen. Somit wurden im Rahmen dieser Masterarbeit zum einen Derivatisierungen mit variablen Substituentenmuster in der fünften Position durchgeführt, zum anderen wurde der Einfluss der Etherschutzgruppe auf die Reaktivität und die fluoreszenten Eigenschaften der neuartigen Thiazolderivate erforscht. Des Weiteren fanden intensive Untersuchungen zur Wiederherstellung der freien OH-Funktionalität statt. Es konnte gezeigt werden, dass Benzyletherthiazolderivate hohe Stabilität gegenüber reduktiver sowie oxidativer Spaltung aufweisen. Demnach bietet die Benzylschutzgruppe keine Vorteile. Außerdem wurde eine Synthesestrategie zur direkten Bromierung des Thiazolkerns entwickelt, welche die Durchführung diverser Kreuzkupplungsreaktionen an Thiazolen erlaubt. Die Anknüpfung des bromierten Produktes an konsekutive Reaktionspfade, wie Suzuki-, Sonogashira- und Heck-Kupplungen konnte erfolgreich realisiert werden.

In dieser Arbeit wurden drei Themengebiete bearbeitet. Zum einen die Entwicklung eines mikrofluidischen System zum Wachstum von form-anisotropen Edelmetall-Nanopartikeln aus Silber, zum anderen eine kontinuierliche mikrofluidische Metallisierung mit Palladium und andere Metalle von der Platin Gruppe. Zum Schluss erfolgte der Test dieser bimetallischen Nanopartikel für die biosensorische Analytik. Dabei wurde der Einfluss der Metallisierung auf die Bulk Sensitivität der Partikel mittels LSPR Messung bestimmt. Es wurde erstens bei der Wachstumsphase im Batch bessere Ergebnisse bei einer langsamen Zugabegeschwindigkeit von den Silberionen festgestellt. Dann wurde ein kontinuierliches mikrofluidisches System entwickelt, das ein effektives Wachstum von Silber-Nanopartikeln ermöglichte. Die Implementierung der Mikrofluidik in den Syntheseprozess von Metallnanopartikeln hat viele Vorteile, sowohl für die Qualität der Ausbeute der gewonnenen Endprodukte, als auch für die Herstellung des Herstellungsprozess selbst. In der Tat hat der Einsatz von Mikromischern eine bessere Kontrolle der Reaktionszeiten, eine deutliche Reduzierung der Diffusionswege und eine kontinuierliche Synthese ohne Mengenbegrenzung ermöglicht. Der Dean-Flow-Mischer mit seiner geometrischen Struktur führte durch Bildung von Verwirbelung zum guten Mischen von Lösungen vor allem bei sehr schnellen Flussraten. Diese Vorteile haben es ermöglicht, die Anforderungen an Geschwindigkeit und Effizienz beim Mischen der Lösungen zu erfüllen, die die reproduzierbare Synthese von Silber-Nanopartikeln ermöglicht haben. Als ein wichtiges Ergebnis wurde festgestellt, dass die Qualität der synthetisierten Prismen von vielen Synthesen beteiligter Parameter abhängt. Zunächst zeigte ein Vergleich zwischen den mikrofluidischen und den Batch Seeds, dass die mikrofluidischen Seeds durch bessere Ausbeute der Prismen bessere Keime für das sekundare Wachstum sind als die im Batch hergestellten Seedsb sind. Darüber hinaus führte der Aufbau eines Synthesesystems unter Verwendung von Mischer ohne Verweiler zur Herstellung einer Prismenlösung mit niedrigen Partikelgrößenverteilung und einer erheblichen Farbänderung der Lösung innerhalb eines Zeitintervalls von 2 Minuten (nach der Mischung). Durch die Verwendung eines Verweilers mit definierten Längen (für die Einstellung der Reaktionsdauer), erhielt man eine Prismenlösung, die eine bessere Partikelgrößenverteilung der Partikel aufweist. Ein weiterer Faktor, der die Qualität der synthetisierten Prismen stark beeinflusst hatte, war die Konzentration der verwendeten Ascorbinsäure-Lösung in dem Wachstumsschritt. Die Verwendung einer Konzentration von 50 mM führte zu Prismen mit höherem Durchmesser und einen wahrscheinlich hohen Anteil an sphärische Partikel. Die Reduzierung der Konzentration auf einen Wert von 20 mM führt zur erheblichen Verringerung der Peak der Intensität der maximalen Absorptionswellenlänge bei 400 nm und resultiert in dünneren Nanoprismen. Im Hinblick auf die Sekundärmetallisierung von Silber-Nanoprismen mit Palladium wurde zuerst als Modelsystem Vorversuche mit immobilisierten Gold-Nanopartikel durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass es eine sehr unregelmäßige Prismen-Wachstum mit Bildung von vielen Nebenprodukten stattfindet. Darüber hinaus könne man eine Erhöhung der Dicke des zweiten Metallschichts bei verringerter Reduktionsmittelskonzentration (AS) feststellen. Batch Vorversuche der Metallisierung von den Silberprismen zeigten eine Art Koaleszenz über die gesamte Prismen Oberfläche. Zwei Methoden wurden dafür verglichen, insbesondere die Batch-Methode gegen die mikrofluidische-Methode. Im Fall der Batch-Methode war eine Blau-Verschiebung des Absorptionsspektrums zu verzeichnen, während die Mikrofluidischen-Methode eine Rot-Verschiebung ihres Absorptionsspektrums zeigte. Hier wurde eine Wachstumsphase mittels eines Dean Flow Mischer, jedoch auf Basis von Polycarbonat, als Mischstruktur für diese Sekundärmetallisierung eingesetzt. Basierend auf dem gleichen Funktionsprinzip wie der aus Glas, hatte dieser die Besonderheit, mehr Einlässe zu haben und ermöglichte das gleichzeitige Mischen mehreren Edukten. Darüber hinaus lieferte er interessantere Ergebnisse, wenn die Mengen zwischen den Prismen- und Palladiumsalz variiert wurden. Wenn kleine Mengen Palladium (Verhältnis 1:100) mit den Prismen vermischt wurden, kam es zu einer globalen Aggregation auf der Oberfläche der Prismen, jedoch führte eine Erhöhung der Konzentration von Palladium (Verhältnis 1:10) zu einer fast vollständigen Zerstörung der Prismen durch Löcher, so dass die dreieckige Form nahezu verloren wurde. Die Sekundärmetallisierung mit Metallen der Platingruppe zeigte am Beispiel von Platin bei der photochiemischen Abscheidung, die Bildung von kleineren Partikeln auf der Oberfläche der Prismen. Die so erhaltenen bimetallischen Partikel wurden dann charakterisiert. Je nach Größe des verwendeten Prismas ihre Stabilität angesichts einer möglichen Agglomeration unterschiedlich beibehalten. Es konnte leider keine aussagekräftigen Schlussfolgerungen geliefert werden, da es an detaillierten weiteren Untersuchungen mangelte. Schließlich hat die Bestimmung des Einflusses der Metallisierung auf Silber-Nanoprismen für die Sensitivität (durch Brechungsindex Messung) gezeigt, dass trotz Ihres höheren LSPR, waren die mit Palladium metallisierten Silbernanopartikeln weniger empfindlich auf Änderungen des Brechungsindex der Umgebung im Vergleich zu reinen Silbernanopartikeln.

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Herstellen und Anwenden von stickstoffdotierten Kohlenstoffnanoröhrenelektroden (N-MWCNT) und deren Modifikation mit Goldnanopartikeln (N-MWCNT/AuNPs) zur Analyse von Biomolekülen aus der Gruppe der Katecholamine. Die Redoxreaktionen der gewählten Neurotransmitter Dopamin und Adrenalin wurden einzeln und anschließend zusammen mit Hilfe der elektrochemischen Methoden der Cyclovoltammetrie in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) untersucht. Dadurch kann die Empfindlichkeit der beiden hergestellten elektrochemischen Elektroden (N-MWCNT und N-MWCNT/AuNPs) gegenüber Dopamin und Adrenalin verglichen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Aufskalierung der 2-Photonen-Polymerisation anhand abstrahierter sinusoidaler Strukturen mit Materialien aus der Mikrosystemtechnik und der Biomedizintechnik erprobt. Mit speziell angefertigten Substraten aus SU-8, SUEX TDFS und UDMA wurde eine konkrete Anwendung für DLW-Erzeugnisse geschaffen. Es wurde eine Strategie entwickelt, die die CAD/CAM-Programmierung hochkomplexer Strukturen für die experimentelle 2PP-Anlage zugänglich macht. Es konnten passende Parametersätze für erfolgreiches direktes Laserschreiben für alle eingesetzten Materialien ermittelt werden.

Um die Bildung von Biofilmen auf Oberflächen zu verhindern, die sich im ständigen Kontakt zu Mikroorganismen befinden, gibt es verschiedene Wege. Eine neue Strategie beinhaltet den Einsatz von Tetraetherlipiden (TEL) als membrananaloges Spacersystem für Antifouling-beschichtungen. Diese Lipide sind Bestandteil der Zellmembranen von Archaeen, wie Sulfolobus solfataricus. Um das Haupt-TEL aus S. solfataricus zu gewinnen, wurde in dieser Arbeit das Standardmedium für deren Fermentation so angepasst, dass möglichst viel Biomasse in kurzer Zeit generiert werden kann. Nach dem Test einiger Basalmedien wurden verschiedene Hefeextrakte als Stoff- und Energiequelle getestet. Das beste Wachstum konnte dabei mit Hefeextrakten, bestehend aus kurzkettigen Peptiden erzielt werden. Zudem wurden unterschiedliche Zucker als zusätzliche Kohlenstoffquelle untersucht. Hierbei führten Stärke, Maltose, Malzextrakt und Saccharose zu den besten Ergebnissen. In Batch-Prozessen konnte durch Kombination des Hefeextrakts Ohly CPT und Saccharose die BTS, im Vergleich zum Standardmedium der DSMZ, mehr als verdoppelt werden auf 0,97 g/l. Zudem wurde das Maximum der OD600 bereits 26 Stunden vor der üblichen Fermentationsdauer erreicht, wodurch vor allem für Batch-Fermentationen im großen Maßstab ökonomische Vorteile entstehen. Das TEL wurde aus der Biomasse durch Soxhlet-Extraktion gewonnen und durch Flash-Chromatographie und Umkristallisation aufgereinigt. Anschließend wurde untersucht, ob das TEL durch Bakterien abgebaut wird. Dazu wurde es bis zu zwei Wochen einer E. coli-Kultur ausgesetzt. Ein Abbau des Lipids konnte dabei nicht festgestellt werden. Um ausschließen zu können, dass die Beschichtungen in der Praxis angegriffen werden, ist die Durchführung weiterer Tests über einen längeren Zeitraum und mit weiteren Mikroorganismen zu empfehlen. Zur Beschichtung von Oberflächen mit TEL wird eine Dispersion benötigt, in der die TEL flüssig kristalline Aggregate bilden. Es wurden Dispersionen aus verschiedenen TEL hergestellt. Um den Einfluss von Reinheit und Art der Lipide auf die Aggregatgröße zu ermitteln, wurden deren Durchmesser bestimmt. Es wurden zum Teil große Unterschiede zwischen den einzelnen Dispersionen festgestellt. Diese Untersuchungen sollen in Verbindung mit weiteren Tests zeigen, ob die Größe der Partikel die Qualität der von ihnen gebildeten Monolayer beeinflusst.