Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silzium-basierter Lichtemitter

In dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER_-Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile. Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht. Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER_-Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER_-Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert. Eine andere Immobilisierungstrategie des hER_-Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R800-Farbstoff gebunden, sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert.A sensor concept for estrogen detection in waterish solutions by Silicon based light emitters (MOSLED) was developed. This concept is based on direct fluorescence analysis and consists of a certain arrangement of the bio- components and their fabrication methods as well as the measurements protocol, which consists of for main steps: Passing the prepared MOSLED surface by the water sample, a washing step, passing the MOSLED surface by the reference solution, and the final optical measurement. The arrangement consists of three parts: the functionalisation of the MOSLEDs surface, the immobilization of the hERff receptor und finally the fabrication of the reference solution. The focus of this work is set on the achievement of these three parts. The functionalisation of the SiO2-surface of the MOSLED was realized by means of the new developed SSC (Spraying Spin Coating) method. The chemical precursor of this method are the organofunctional silane groups with three different functional groups, namely the amino-, carboxyl-, and thiolgroups. The optimization of the procedure was investigated with two types of silane groups APMS ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine), which have the same molecular structure but a different number of functional groups per molecule. These results have been compared with those of the literature. The optimization of the SSC-method was analyzed by means of standard surface science techniques like FTIR-, Raman-, and XPS-spectroscopy. The surface roughness was applied by using AFM-spectroscopy, which showed a smooth surface by the samples treated with the SSC-method. Whereas the hydrophobicity of the functionalized SiO2 surface increases, the surface energy decreases, which favours the binding of a hERff receptor with large binding energy. In order to immobilize the hERff receptor at the surface, the receptor was bound to the molecular shell of the QDots655-dye and finally adsorbed to the silanized SiO2 surfaces. The fraction of the immobilized hERff receptors was controlled via PL-measurements. Another labelling strategy to immobilize the receptor at the SiO2 surface can be realized by using the amino acid as derivate to modify the receptor. For this aim the adsorption of the lysine at silanized SiO2 surfaces was investigated as function of the pH-value. The adsorbent part of the lysine was calculated via XPS by measuring the binding energy of both energy levels C1s and N1s . The reference solution with QDots800-dye marked estrogen molecules was used. The optimal binding was achieved by attaching the molecular shell of the QDots 800-dye to position 17 of the β-Estradiol molecule, which contains of a N-Hydroxysuccinimid derivate so that the phenol ring of the β-Estradiol remains free. In particular the FTIR-spectra showed the non-binding OH-groups of the β-Estradiol molecule. The whole concept of the sensor was tested at two water samples containing estrogen in a concentration of 1mM and 1μM. The adjustment of the Biokomponents was proven by PL, and the estrogen detection was demonstrated by using the Ge- and Tb-based light emitters

Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silizium-basierter Lichtemitter

In dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER -Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile. Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3- Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht.Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER -Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER -Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert. Eine andere Immobilisierungstrategie des hER -Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R 800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R 800-Farbstoff gebunden,sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert

Joint project: Umwandlungsmechanismen in Bentonitbarrieren - Subproject B: Einfluss von mikrobiellen Prozessen auf die Bentonitumwandlung

Concerning the deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW), bentonite can be used because of its high swelling capacity and its low hydraulic conductivity as geo-technical barrier and buffering material in between the waste-containing canister (technical barrier) and the surrounding host rock (geological barrier). There are still many gaps in process understanding of bentonite transformations, especially in dependence of different temperatures and pore waters. Within the joint-project UMB (“Umwandlungsmechanismen in Bentonitbarrieren”), the co-operation partner Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH (Repository Safety Analysis), the University of Greifswald (Institute for Geography and Geology), the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR, section of technical mineralogy), the Technical University of Munich (TUM; chair of theoretical chemistry, quantum chemistry) and the Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf (HZDR, Institute of Resource Ecology) are supposed to define criteria which facilitate the selection of suitable bentonites in order to use them in the deep geological repository of high-level radioactive waste. HZDR analyzed two different bentonites (B36 and SD80) regarding their microbial diversity and potential microbial activity. In dependence of repository-relevant parameters (temperature, pore water, presence of substrates), microcosm experiments were set up at the GRS, containing the respective bentonites and Opalinus Clay pore water or cap rock solution, respectively. The long-term batches were incubated one year and two years at different temperatures (25 °C, 60 °C and 90 °C) in gastight bottles. Additionally, HZDR set up B36 short-term microcosms with Opalinus Clay pore water, which incubated for three month at 30 °C with six sampling points monitoring the microbial diversity and geochemical parameters.Für die tiefengeologische Lagerung von Wärme-entwickelnden, hoch-radioaktiven Abfällen kommen Bentonite aufgrund ihrer hohen Quellfähigkeit und ihrer geringen hydraulischen Leitfähigkeit als geo-technische Barriere in Betracht, welche sich zwischen der technischen Barriere (Behälter mit Abfall) und der geologischen Barriere (Wirtsgestein) befindet. Im Rahmen des Verbundprojektes „UMB“ (Umwandlungsmechanismen in Bentonitbarrieren) der Kooperationspartner Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH (Fachbereich Endlagersicherheitsforschung), der Universität Greifswald (Institut für Geographie und Geologie), der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR, Arbeitsbereich Technische Mineralogie), der Technischen Universität München (TUM; Fachgebiet Theoretische Chemie, Quantenchemie) und dem Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR Institut für Ressourcenökologie) sollen abgesicherte, objektive Kriterien zur Auswahl geeigneter Bentonite für den Einsatz in Endlagern für wärmeentwickelnde Abfälle in Tonformationen entwickelt werden. Das HZDR analysierte hierfür die Entwicklung der mikrobiellen Diversität in den Bentoniten B36 und SD80 in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern (Porenlösung, Temperatur, Anwesenheit von Substraten) um den möglichen Einfluss von Mikroorganismen auf die Umwandlungsprozesse im Bentonit zu erfassen. Die Bentonite wurden hierfür bei der GRS (Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit gGmbH) mit Opalinuston-Porenlösung bzw. verdünnter Gipshut-Lösung versetzt. Die Ansätze inkubierten in gasdichten Glasflaschen bei 25 °C, 60 °C und 90 °C für jeweils ein und zwei Jahre („Langzeit“). Des Weiteren wurden am HZDR B36 Mikrokosmen mit Opalinustonporenlösung angesetzt, welche für drei Monate bei 30 °C inkubierten („Kurzzeit“). Über die drei Monate verteilt wurden sechs Probenahmen durchgeführt, und die mikrobielle Diversität sowie ausgewählte geochemische Paramater bestimmt

Joint project: Retention of radionuclides relevant for final disposal in natural clay rock and saline systems: Subproject 2: Geochemical behavior and transport of radionuclides in saline systems in the presence of repository-relevant organics

The objective of this project was to study the influence of increased salinities on interaction processes in the system radionuclide – organics – clay – aquifer. For this purpose, complexation, redox, sorption, and diffusion studies were performed under variation of the ionic strength (up to 4 mol/kg) and the background electrolyte. The U(VI) complexation by propionate was studied in dependence on ionic strength (up to 4 mol/kg NaClO4) by TRLFS, ATR FT-IR spectroscopy, and DFT calculations. An influence of ionic strength on stability constants was detected, depending on the charge of the respective complexes. The conditional stability constants, determined for 1:1, 1:2, and 1:3 complexes at specific ionic strengths, were extrapolated to zero ionic strength. The interaction of the bacteria Sporomusa sp. MT-2.99 and Paenibacillus sp. MT-2.2 cells, isolated from Opalinus Clay, with Pu was studied. The experiments can be divided into such without an electron donor where biosorption is favored and such with addition of Na-pyruvate as an electron donor stimulating also bioreduction processes. Moreover, experiments were performed to study the interactions of the halophilic archaeon Halobacterium noricense DSM-15987 with U(VI), Eu(III), and Cm(III) in 3 M NaCl solutions. Research for improving process understanding with respect to the mobility of multivalent metals in systems containing humic matter was focused on the reversibility of elementary processes and on their interaction. Kinetic stabilization processes in the dynamics of humate complexation equilibria were quantified in isotope exchange studies. The influence of high salinity on the mobilizing potential of humic-like clay organics was systematically investigated and was described by modeling. The sorption of Tc(VII)/Tc(IV) onto the iron(II)-containing minerals magnetite and siderite was studied by means of batch sorption experiments, ATR FT-IR and X-ray absorption spectroscopy. The strong Tc retention at these minerals could be attributed to surface-mediated reduction of Tc(VII) to Tc(IV). An influence of ionic strength was not observed. The influence of ionic strength (up to 3 mol/kg) and background electrolyte (NaCl, CaCl2, MgCl2) on U(VI) sorption onto montmorillonite was studied. The U(VI) sorption is influenced by the background electrolyte, the influence of ionic strength is small. Surface complexation modeling was performed applying the 2SPNE SC/CE model. Surface complexation constants were determined for the NaCl and CaCl2 system and were extrapolated to zero ionic strength. Surface complexation in mixed electrolytes can be modeled applying surface complexation constants derived for pure electrolytes. The influence of citrate on U(VI) diffusion in Opalinus Clay was studied using Opalinus Clay pore water as background electrolyte. The diffusion parameter values obtained for the HTO through-diffusion and the U(VI) in-diffusion in the absence of citric acid were in agreement with literature data. In the presence of citric acid, U(VI) diffusion was significantly retarded, which was attributed to a change in speciation, probably U(VI) was reduced to U(IV). Larger-scale heterogeneous material effects on diffusive transport were investigated with PET. Diffusion parameters were derived by optimum fit of a FEM-model to the measurement. These parameters are in accordance with the results from 1D-through-diffusion experiments. Deviations from the simple transversal-isotropic behavior, which are identified as residuals from the model, are indications for heterogeneous transport on the mm-scale. PET measurements were also conducted in order to display the improvement of the EDZ with waterglass injections. These experiments enable to draw conclusions on the complex reactive transport process and thus an estimation of the achieved improvement of the barrier function. The image reconstruction procedure was largely improved, mainly with the aid of Monte-Carlo simulations, and now allows quantitative analysis and error estimation

Towards Bacteria Counting in DI Water of Several Microliters or Growing Suspension Using Impedance Biochips

We counted bacterial cells of E. coli strain K12 in several-microliter DI water or in several-microliter PBS in the low optical density (OD) range (OD = 0.05–1.08) in contact with the surface of Si-based impedance biochips with ring electrodes by impedance measurements. The multiparameter fit of the impedance data allowed calibration of the impedance data with the concentration cb of the E. coli cells in the range of cb = 0.06 to 1.26 × 109 cells/mL. The results showed that for E. coli in DI water and in PBS, the modelled impedance parameters depend linearly on the concentration of cells in the range of cb = 0.06 to 1.26 × 109 cells/mL, whereas the OD, which was independently measured with a spectrophotometer, was only linearly dependent on the concentration of the E. coli cells in the range of cb = 0.06 to 0.50 × 109 cells/mL

Influence of riboflavin on the reduction of radionuclides by Shewanella oneidenis MR-1

Uranium (as UO22+), technetium (as TcO4−) and neptunium (as NpO2+) are highly mobile radionuclides that can be reduced enzymatically by a range of anaerobic and facultatively anaerobic microorganisms, including Shewanella oneidensis MR-1, to poorly soluble species. The redox chemistry of Pu is more complicated, but the dominant oxidation state in most environments is highly insoluble Pu(IV), which can be reduced to Pu(III) which has a potentially increased solubility which could enhance migration of Pu in the environment. Recently it was shown that flavins (riboflavin and flavin mononucleotide (FMN)) secreted by Shewanella oneidensis MR-1 can act as electron shuttles, promoting anoxic growth coupled to the accelerated reduction of poorly-crystalline Fe(III) oxides. Here, we studied the role of riboflavin in mediating the reduction of radionuclides in cultures of Shewanella oneidensis MR-1. Our results demonstrate that the addition of 10 μM riboflavin enhances the reduction rate of Tc(VII) to Tc(IV), Pu(IV) to Pu(III) and to a lesser extent, Np(V) to Np(IV), but has no significant influence on the reduction rate of U(VI) by Shewanella oneidensis MR-1. Thus riboflavin can act as an extracellular electron shuttle to enhance rates of Tc(VII), Np(V) and Pu(IV) reduction, and may therefore play a role in controlling the oxidation state of key redox active actinides and fission products in natural and engineered environments. These results also suggest that the addition of riboflavin could be used to accelerate the bioremediation of radionuclide-contaminated environments

Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silzium-basierter Lichtemitter

In dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER_-Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile. Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht. Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER_-Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER_-Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert. Eine andere Immobilisierungstrategie des hER_-Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R800-Farbstoff gebunden, sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert.A sensor concept for estrogen detection in waterish solutions by Silicon based light emitters (MOSLED) was developed. This concept is based on direct fluorescence analysis and consists of a certain arrangement of the bio- components and their fabrication methods as well as the measurements protocol, which consists of for main steps: Passing the prepared MOSLED surface by the water sample, a washing step, passing the MOSLED surface by the reference solution, and the final optical measurement. The arrangement consists of three parts: the functionalisation of the MOSLEDs surface, the immobilization of the hERff receptor und finally the fabrication of the reference solution. The focus of this work is set on the achievement of these three parts. The functionalisation of the SiO2-surface of the MOSLED was realized by means of the new developed SSC (Spraying Spin Coating) method. The chemical precursor of this method are the organofunctional silane groups with three different functional groups, namely the amino-, carboxyl-, and thiolgroups. The optimization of the procedure was investigated with two types of silane groups APMS ((3-Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine), which have the same molecular structure but a different number of functional groups per molecule. These results have been compared with those of the literature. The optimization of the SSC-method was analyzed by means of standard surface science techniques like FTIR-, Raman-, and XPS-spectroscopy. The surface roughness was applied by using AFM-spectroscopy, which showed a smooth surface by the samples treated with the SSC-method. Whereas the hydrophobicity of the functionalized SiO2 surface increases, the surface energy decreases, which favours the binding of a hERff receptor with large binding energy. In order to immobilize the hERff receptor at the surface, the receptor was bound to the molecular shell of the QDots655-dye and finally adsorbed to the silanized SiO2 surfaces. The fraction of the immobilized hERff receptors was controlled via PL-measurements. Another labelling strategy to immobilize the receptor at the SiO2 surface can be realized by using the amino acid as derivate to modify the receptor. For this aim the adsorption of the lysine at silanized SiO2 surfaces was investigated as function of the pH-value. The adsorbent part of the lysine was calculated via XPS by measuring the binding energy of both energy levels C1s and N1s . The reference solution with QDots800-dye marked estrogen molecules was used. The optimal binding was achieved by attaching the molecular shell of the QDots 800-dye to position 17 of the β-Estradiol molecule, which contains of a N-Hydroxysuccinimid derivate so that the phenol ring of the β-Estradiol remains free. In particular the FTIR-spectra showed the non-binding OH-groups of the β-Estradiol molecule. The whole concept of the sensor was tested at two water samples containing estrogen in a concentration of 1mM and 1μM. The adjustment of the Biokomponents was proven by PL, and the estrogen detection was demonstrated by using the Ge- and Tb-based light emitters

Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silizium-basierter Lichtemitter

In dieser Arbeit wurde ein Sensorkonzept mit Hilfe der Si-basierten Lichtemitter (MOSLED) zum Östrogennachweis in wässrigen Lösungen entwickelt. Das Sensorkonzept basiert auf einer direkten Fluoreszenzanalyse und besteht aus der Anordnung der Bio-Komponenten und dem Verfahren zu ihrer Herstellung sowie dem eigentlichen Meßverfahren. Die Anordnung besteht aus drei Teilen: die Funktionalisierung der MOSLED-Oberfläche, die Immobilisierung des hER -Rezeptors und die Herstellung der Referenzlösung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Ausführung dieser drei Teile. Die Funktionalisierung der SiO2-Oberfläche der MOSLED wurde mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten SSC (Spraying Spin Coating)- Verfahrens realisiert. Die Ausgangsmaterialien dieses Verfahrens sind organofunktionelle Silangruppen mit drei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, nämlich die Amino-, Carboxyl- und die Thiolgruppen. Die Optimierung dieser Methode erfolgte mittels der zwei Silangruppen APMS ((3- Aminopropyl)trimethoxysilane und Triamino-APMS (N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine mit der gleichen Molekülstruktur, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl an funktionellen Gruppen. Diese Resultate wurden mit in der Literatur beschriebenen Verfahren verglichen. Die Optimierung der SSC-Methode wurde zuerst auf einfache SiO2-Oberflächen und dann auf der Oberfläche der MOSLED angewendet. Die Proben wurden mit Hilfe üblicher Methoden der Oberflächenphysik- wie FTIR-, Raman- und XPS-Spektroskopie untersucht.Die Oberflächenrauhigkeit wurde mittels AFM-Spektroskopie ermittelt, deren Aufnahmen eine glatte Oberfläche bei den mit der SSC-Methode silanisierten Proben zeigen. Während die Hydrophobizität der funktionalisierten SiO2-Oberflächen zunimmt, sinkt dabei die Oberflächenenergie, welche die Anbindung eines hER -Rezeptors mit großer Bindungsenergie begünstigt. Zur Immobilisierung des hER -Rezeptors wurde dieser erst an das Hüllenmolekül des QDots R-655-Farbstoffs gebunden und anschließend an der SSC-silanisierten SiO2-Oberflächen adsorbiert. Der Anteil der immobilisierten Rezeptoren wurde mittels PL-Messung kontrolliert. Eine andere Immobilisierungstrategie des hER -Rezeptors an die SiO2-Oberfläche kann mit Hilfe eines Aminosäure-Derivates um den Rezeptor realisiert werden. Eine Adsorption der Lysinaminosäure an die SSC-APMS silanisierten SiO2- Oberflächen als Funktion des pH-Wertes wurde durchgeführt, und der Adsorbatsanteil des Lysins mittels XPS-Messung durch die Bindungsenergien der Energieniveaus C1s und N1s berechnet. Eine Referenzlösung mit QDots R 800-Farbstoff markierten Östrogenmolekülen kommt zum Einsatz. Dabei wird die Position 17 des β-Estradiolmoleküls, welches mit einem N-Hydroxysuccinimide Derivat versehen ist, an das Hüllenmolekül des QDots R 800-Farbstoff gebunden,sodass der Phenolring des β-Estradiols frei bleibt. Insbesondere ist bei den FTIR-Spektren eine nichtgebunden OH-Gruppe des β-Estradiolmoleküls gut erkennbar. Das gesamte Sensorkonzept wurde an zwei mit Östrogen mit einer Konzentration von 1mM und 1μM versetzten Wasserproben getestet. Die Anordnung der Bio-Komponenten wurde mittels PL nachgewiesen. Der Östrogennachweis wurde mit Hilfe des Ge- und Tb-basierten Lichtemitters demonstriert

Östrogennachweis in wässrigen Lösungen mit Hilfe Silizium-basierter Lichtemitter

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