@phdthesis{Merz2022,
  author    = {Merz, Viktor},
  title     = {Funktionalisierung und Untersuchung von Nanodiamanten f{\"u}r biomedizinische und sensorische Anwendungen},
  doi       = {10.25972/OPUS-24588},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-245888},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Nanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material f{\"u}r Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bem{\"u}hungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfl{\"a}che bei Kontakt mit Biofl{\"u}ssigkeiten ein großes Hindernis f{\"u}r biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Molek{\"u}le mit {\"u}berlegener F{\"a}higkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, f{\"u}r bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfl{\"a}che angebracht. Das Baukastensystem mit Azid als Außengruppen bietet eine große Vielfalt an Bindungen mit vielen Molek{\"u}len, wie z. B. Medikamenten, Farbstoffen oder Targeting-Molek{\"u}len. Das Anh{\"a}ngen von z. B. Zwitterionen an die Kette sch{\"u}tzt die ND-Oberfl{\"a}che vor der Bildung einer Proteinkorona, wenn die Partikel mit proteinhaltigen Biofl{\"u}ssigkeiten in Kontakt kommen. Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Beladung der ND-Oberfl{\"a}che zeigen eine signifikante Verhinderung der Proteinadsorption von bis zu 98 \% im Vergleich zu NDs ohne zwitterionische Kopfgruppen und eine lange kolloidale Stabilit{\"a}t, wenn Tetraethylenglykol (TEG) an die Oberfl{\"a}che gebunden wird. Die Vielseitigkeit des modularen Systems, um nicht nur zwitterionische Ketten, sondern auch klickbare funktionelle Molek{\"u}le an fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) zu binden, zeigt das Potenzial des Systems am Nanodiamanten. Unter Verwendung von Defektstrukturen, wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), k{\"o}nnen Diamantpartikel aufgrund ihres weitgehend ungiftigen Verhaltens als fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) f{\"u}r photostabile Markierung, Bioimaging und nanoskalige Sensorik in lebenden Zellen und Organismen verwendet werden. Um die fND-Oberfl{\"a}che zu funktionalisieren, wurde eine neuartige Mahltechnik mit Diazoniumsalzen etabliert, um ein Pfropfen auf wenig reaktive HPHT-fNDs durchzuf{\"u}hren, was zu einer hohen Oberfl{\"a}chenbeladung und einem hohen negativen Zetapotenzial f{\"u}hrt. Die Kombination der Vorteile von TEG und zwitterionhaltigen Gruppen mit der F{\"a}higkeit zum Targeting von Antik{\"o}rpern auf fND best{\"a}tigt zum ersten Mal die verbesserte kolloidale Stabilit{\"a}t in Experimenten mit lebenden Zellen. Dar{\"u}ber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine verbesserte Corona-Abstoßung im Vergleich zu fND ohne zwitterionhaltige Kopfgruppen hin. Infolgedessen wurden die Zirkulationszeiten von 4 (fND ohne Zwitterionenkette, aber mit Antik{\"o}rper) auf 17 (mit Antik{\"o}rper und Zwitterionenketten) Stunden vergr{\"o}ßert. In nicht-biomedizinischen Anwendungen kann das modulare System als Sonde f{\"u}r Schwermetalle durch die Anbindung von Farbstoffen verwendet werden. Die Detektion von Metallen in verschiedenen Umgebungen mit hoher Selektivit{\"a}t und Spezifit{\"a}t ist eine der Voraussetzungen f{\"u}r den Kampf gegen die Umweltverschmutzung mit diesen Elementen. Pyrene sind gut geeignet und weit bekannt f{\"u}r die Fluoreszenzsensorik in verschiedenen Medien. Das angewandte Sensorprinzip beruht typischerweise auf der Bildung von intra- und intermolekularen Excimeren, was jedoch den Empfindlichkeitsbereich aufgrund der Maskierung von z.B. Quenching-Effekten durch die Excimer-Emission einschr{\"a}nkt. Diese Studie zeigt einen hochselektiven, strukturstabilen chemischen Sensor, der auf der monomeren Fluoreszenz von Pyrenanteilen mit Triazolgruppen basiert. Dieser Sensor kann Cu2+, Pb2+ und Hg2+ in organischen L{\"o}sungsmitteln {\"u}ber einen weiten Konzentrationsbereich quantitativ nachweisen, auch in Gegenwart von ubiquit{\"a}ren Ionen wie Na+, K+, Ca2+ und Mg2+. Die stark emittierende Fluoreszenz des Sensors mit einer langen Lebensdauer von 165 ns wird durch eine 1:1-Komplexbildung bei Zugabe von Metallionen in Acetonitril gel{\"o}scht. Bei Zugabe eines zehnfachen {\"U}berschusses des Metallions zum Sensor bilden sich Agglomerate mit einem Durchmesser von etwa 3 nm. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen im System werden konventionelle lineare Korrelationen nicht f{\"u}r alle Konzentrationen beobachtet. Daher wird ein kritischer Vergleich zwischen der konventionellen Job-Plot-Interpretation, der Methode von Benesi-Hildebrand und einem nicht-linearen Fit vorgestellt. Das vorgestellte System erm{\"o}glicht die spezifische und robuste Erfassung von medizinisch und {\"o}kologisch relevanten Ionen im gesundheitsrelevanten nM-Bereich und k{\"o}nnte z. B. zur {\"U}berwachung der entsprechenden Ionen in Abfallstr{\"o}men eingesetzt werden. Doch h{\"a}ufig landen diese Abfallstr{\"o}me in empfindlichen Aquakulturen, wo eine solche Sensortechnik nur funktioniert, wenn die Sonde wasserl{\"o}slich ist, um die Ausbreitung und Bildung von Umweltsch{\"a}den durch Schwermetalle zu {\"u}berwachen. Viele Chemosensoren arbeiten nur in bestimmten L{\"o}sungsmitteln und unter hochreinen Bedingungen quantitativ. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Stabilisierung von wasserunl{\"o}slichen Chemosensoren auf Nanodiamanten in salzhaltigem Wasser unter Beibehaltung der Sensoreffektivit{\"a}t und -spezifit{\"a}t sowie der kolloidalen Stabilit{\"a}t vorgestellt. Zus{\"a}tzlich wird die Sensorf{\"a}higkeit in organischen L{\"o}sungsmitteln beibehalten. Diese Studie gibt Einblick in die Absorptionsf{\"a}higkeit von Pyren-Derivaten an der Nanodiamant-Oberfl{\"a}che und einen Weg, diese reversibel zu desorbieren. Außerdem beweist das System, dass in Anwesenheit von 95 \% Sauerstoffatmosph{\"a}re bei der Fluoreszenzmessung die Ergebnisse nicht von denen in Argonatmosph{\"a}re abweichen. Dar{\"u}ber hinaus st{\"o}rt das Vorhandensein g{\"a}ngiger Ionen im Wasser die kolloidale Stabilit{\"a}t der NDs nicht und hat auch keinen Einfluss auf die Sensorfunktionalit{\"a}t und ist somit ein vielversprechender Kandidat f{\"u}r Messungen ohne aufw{\"a}ndige Pr{\"a}parationsschritte.},
  language  = {en}
}