Viktor Merz

• Nanodiamond (ND) is a versatile and promising material for bio-applications. Despite many efforts, agglomeration of nanodiamond and the non-specific adsorption of proteins on the ND surface when exposed to bio-fluids remains a major obstacle for biomedical applications. An assortment of branched and linear molecules with superior ability to colloidally stabilize nanoparticles in salt and cell media environment, for up to 30 days, was attached to the ND’s surface. The building box system with azide as external groups offers a huge variety ofNanodiamond (ND) is a versatile and promising material for bio-applications. Despite many efforts, agglomeration of nanodiamond and the non-specific adsorption of proteins on the ND surface when exposed to bio-fluids remains a major obstacle for biomedical applications. An assortment of branched and linear molecules with superior ability to colloidally stabilize nanoparticles in salt and cell media environment, for up to 30 days, was attached to the ND’s surface. The building box system with azide as external groups offers a huge variety of binding with many molecules, such as drugs, dyes or targeting molecules, is possible. Clicking, for instance, zwitterions moieties to the chain protects ND surface from protein corona forming when the particles get in contact with biofluids containing proteins. Thermogravimetric analysis results of the ND surface loading show a significant prevention of up to 98 % of the protein adsorption compared with NDs without zwitterionic headgroups and long colloidal stability when tetraethylene glycol (TEG) are attached to the surface. The versatility of the modular system to bind not only zwitterionic chains but also clickable functional molecules to fluorescent nanodiamonds (fNDs) demonstrates the potential of the system at the nanodiamond. Using defect structures, such as nitrogen-vacancy (NV) centers, diamond particles, due to their widely non-toxic behavior, can be used as fNDs for photostable labeling, bioimaging and nanoscale sensing in living cells and organisms. To functionalize the fND surface a novel milling technique with diazonium salts was established to perform grafting on poorly reactive HPHT fNDs yielding in high surface loading and high negative zeta potential. Combining the benefits of TEG and zwitterion containing groups with antibody enabled nucleus targeting ability on fND confirms the enhanced colloidal stability in living cells experiments for the first time. Furthermore, the results indicate an improved corona repulsion compared with fND without zwitterion containing headgroups. As a result, the circulation times were enlarged from 4 (fND without zwitterion chain but with antibody) to 17 (with antibody and zwitterion chains) hours. In non-biomedical applications, the modular system can be used as a probe for heavy metals by binding it to dyes. Detection of metals in different environments with high selectivity and specificity is one of the prerequisites of the fight against environmental pollution with these elements. Pyrenes are well suited and known for fluorescence sensing in different media. The applied sensing principle typically relies on the formation of intra- and intermolecular excimers, which is however limiting the sensitivity range due to masking of e.g. quenching effects by the excimer emission. This study shows a highly selective, structurally rigid chemical sensor based on the monomer fluorescence of pyrene moieties bearing triazole groups. This probe can quantitatively detect Cu2+, Pb2+ and Hg2+ in organic solvents over a broad concentration range, even in the presence of ubiquitous ions such as Na+, K+, Ca2+ and Mg2+. The strongly emissive sensor’s fluorescence with a long lifetime of 165 ns is quenched by a 1:1 complex formation upon addition of metal ions in acetonitrile. Upon addition of a tenfold excess of the metal ion to the sensor, agglomerates with a diameter of about 3 nm are formed. Due to complex interactions in the system, conventional linear correlations are not observed for all concentrations. Therefore, a critical comparison between the conventional Job plot interpretation, the method of Benesi-Hildebrand, and a non-linear fit is presented. The reported system enables the specific and robust sensing of medically and environmentally relevant ions in the health-relevant nM range and could be used e.g. for the monitoring of the respective ions in waste streams. Nonetheless, often these waste streams end up in sensitive aquacultures, where such sensor technology only works if the probe is water-soluble to monitor the spread and formation of environmental damage from heavy metals. Many chemosensors only work quantitatively in specific solvents and under highly pure conditions. In this thesis a method to stabilize water-insoluble chemosensors on nanodiamonds in saline water while maintaining the sensor efficacy and specificityas as well as colloidal stability is presented. Additionally, the sensor capability is retained in organic solvents. This study provides insight into the absorptivity of pyrene derivatives to the nanodiamond surface and a way to reversibly desorb them. Moreover, the system proves that in presence of 95 % oxygen atmosphere while the fluoresce measurement the results of the do not vary from the one in argon atmosphere. Furthermore, the presence of common ions in water do not disturb the colloidal stability of the NDs and also no influence the sensor functionality and thus is highly promising candidate for measurement without cumbersome preparation steps.…
• Nanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material für Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bemühungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfläche bei Kontakt mit Bioflüssigkeiten ein großes Hindernis für biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Moleküle mit überlegener Fähigkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, für bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfläche angebracht. Das BaukastensystemNanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material für Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bemühungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfläche bei Kontakt mit Bioflüssigkeiten ein großes Hindernis für biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Moleküle mit überlegener Fähigkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, für bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfläche angebracht. Das Baukastensystem mit Azid als Außengruppen bietet eine große Vielfalt an Bindungen mit vielen Molekülen, wie z. B. Medikamenten, Farbstoffen oder Targeting-Molekülen. Das Anhängen von z. B. Zwitterionen an die Kette schützt die ND-Oberfläche vor der Bildung einer Proteinkorona, wenn die Partikel mit proteinhaltigen Bioflüssigkeiten in Kontakt kommen. Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Beladung der ND-Oberfläche zeigen eine signifikante Verhinderung der Proteinadsorption von bis zu 98 % im Vergleich zu NDs ohne zwitterionische Kopfgruppen und eine lange kolloidale Stabilität, wenn Tetraethylenglykol (TEG) an die Oberfläche gebunden wird. Die Vielseitigkeit des modularen Systems, um nicht nur zwitterionische Ketten, sondern auch klickbare funktionelle Moleküle an fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) zu binden, zeigt das Potenzial des Systems am Nanodiamanten. Unter Verwendung von Defektstrukturen, wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), können Diamantpartikel aufgrund ihres weitgehend ungiftigen Verhaltens als fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) für photostabile Markierung, Bioimaging und nanoskalige Sensorik in lebenden Zellen und Organismen verwendet werden. Um die fND-Oberfläche zu funktionalisieren, wurde eine neuartige Mahltechnik mit Diazoniumsalzen etabliert, um ein Pfropfen auf wenig reaktive HPHT-fNDs durchzuführen, was zu einer hohen Oberflächenbeladung und einem hohen negativen Zetapotenzial führt. Die Kombination der Vorteile von TEG und zwitterionhaltigen Gruppen mit der Fähigkeit zum Targeting von Antikörpern auf fND bestätigt zum ersten Mal die verbesserte kolloidale Stabilität in Experimenten mit lebenden Zellen. Darüber 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 Antikörper) auf 17 (mit Antikörper und Zwitterionenketten) Stunden vergrößert. In nicht-biomedizinischen Anwendungen kann das modulare System als Sonde für Schwermetalle durch die Anbindung von Farbstoffen verwendet werden. Die Detektion von Metallen in verschiedenen Umgebungen mit hoher Selektivität und Spezifität ist eine der Voraussetzungen für den Kampf gegen die Umweltverschmutzung mit diesen Elementen. Pyrene sind gut geeignet und weit bekannt für 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 einschränkt. 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 Lösungsmitteln über einen weiten Konzentrationsbereich quantitativ nachweisen, auch in Gegenwart von ubiquitären 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 gelöscht. Bei Zugabe eines zehnfachen Überschusses 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 für 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 ermöglicht die spezifische und robuste Erfassung von medizinisch und ökologisch relevanten Ionen im gesundheitsrelevanten nM-Bereich und könnte z. B. zur Überwachung der entsprechenden Ionen in Abfallströmen eingesetzt werden. Doch häufig landen diese Abfallströme in empfindlichen Aquakulturen, wo eine solche Sensortechnik nur funktioniert, wenn die Sonde wasserlöslich ist, um die Ausbreitung und Bildung von Umweltschäden durch Schwermetalle zu überwachen. Viele Chemosensoren arbeiten nur in bestimmten Lösungsmitteln und unter hochreinen Bedingungen quantitativ. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Stabilisierung von wasserunlöslichen Chemosensoren auf Nanodiamanten in salzhaltigem Wasser unter Beibehaltung der Sensoreffektivität und -spezifität sowie der kolloidalen Stabilität vorgestellt. Zusätzlich wird die Sensorfähigkeit in organischen Lösungsmitteln beibehalten. Diese Studie gibt Einblick in die Absorptionsfähigkeit von Pyren-Derivaten an der Nanodiamant-Oberfläche und einen Weg, diese reversibel zu desorbieren. Außerdem beweist das System, dass in Anwesenheit von 95 % Sauerstoffatmosphäre bei der Fluoreszenzmessung die Ergebnisse nicht von denen in Argonatmosphäre abweichen. Darüber hinaus stört das Vorhandensein gängiger Ionen im Wasser die kolloidale Stabilität der NDs nicht und hat auch keinen Einfluss auf die Sensorfunktionalität und ist somit ein vielversprechender Kandidat für Messungen ohne aufwändige Präparationsschritte.…