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Biosensoren gewinnen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. So erfolgt die Identifizierung des Analyten mit Biosensoren deutlich schneller und unkomplizierter als mit herkömmlichen analytischen Methoden. Aufgrund des Schlüssel-Schloss-Prinzips ist zudem die Detektion von Biosensoren äußerst selektiv. Die Herstellung dieser Sensoren erfolgt häufig trotz der Unzuverlässigkeit der Silanchemie über die Silanisierung der Si-H- bzw. Si-OH-Bindungen an der Silizium-Oberfläche. Die Abhängigkeit von Temperatur- und pH-Wert, sowie die Veränderung der Filmdicke bei nur kleinen Schwankungen des Wassergehalts während der Umsetzung werden oft vernachlässigt. Seltener wird die Si-NHx-Bindung genutzt, um dünne organische Filme zu erzeugen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Funktionalisierungsstrategie entwickelt, die die Silanchemie vermeidet. Die Idee basiert auf der Herstellung einer Azid-terminierten Oberfläche erzeugt aus Oberflächenaminen des materialintrinsischen Stickstoffs von Siliziumnitrid (Si3N4). Diese Azidgruppen bildeten die Grundlage für die Click-Chemie mit geeigneten Alkin-terminierten (Bio)molekülen und die anschließende Immobilisierung von ausgewählten Analyten. Die Funktionalisierungsstrategie umfasst die Erzeugung von NHx-terminierten Si3N4-Oberflächen durch Flusssäureätzung gefolgt von deren Umwandlung in Azidgruppen durch verschiedene Methoden. Im Anschluss wurden Alkine durch die Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC, Click-Chemie) an die Azid-terminierte Oberfläche immobilisiert. Der Erfolg der einzelnen Reaktionsschritte wurde durch oberflächenanalytische Methoden, durch XPS, NEXAFS und ToF-SIMS, überprüft. Die Charakterisierung der gebildeten Triazolringe erfolgte anhand des N 1s-XP-Spektrums sowie der NEXAFS C K-Kante. Die CF3-Gruppe wurde anhand der C 1s und F 1s-XP-Spektren, sowie der NEXAFS F K-Kante identifiziert. ToF-SIMS Untersuchungen bestätigten ebenfalls die Bindung des Alkins an die Si3N4-Oberfläche. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die direkte Anbindung eines Biomoleküls an die Si3N4 Oberfläche getestet. Hierfür wurde das Biotin/Streptavidin-System durch eine Click-Reaktion an der Oberfläche verankert. Die erfolgreiche Biotin/Streptavidin-Interaktion wurde ebenfalls mit XPS, NEXAFS und ToF-SIMS nachgewiesen. Der Erfolg der Click-Reaktionen war sowohl bei der Methodenentwicklung als auch bei der Immobilisierung des Modellfilms vom genutzten Lösungsmittel abhängig.
Neben der direkten Immobilisierung von (Bio)molekülen an die Si3N4-Oberfläche durch die Click-Chemie gelang es auch einen Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplex als künstliche Nuklease über Amid-Kopplung an die Si-NHx-Oberfläche zu binden. Hierbei diente ein OCF3-Substituent des Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplexes als XPS-Sonde. Die Identifizierung des Komplexes erfolgte anhand der OCF3-Komponente im C 1s- und F 1s-XP-Spektrum und der NEXAFS F K-Kante, sowie des Cu 2p-XP-Spektrums. Die ToF-SIMS-Massenspektren bestätigten ebenfalls die Bindung des Komplexes. Die Kupfermenge wurde mit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) zu 0.08 µg/cm2 bestimmt, was 87 x 1012 Kupferatome pro cm2 entspricht. Nach der Verifizierung des immobilisierten Komplexes erfolgte die Untersuchung der Spaltaktivität der auf der Si3N4-Oberfläche gebundenen künstlichen Nuklease gegenüber Plasmid-DNA. Hierbei wurde eine Zunahme der Spaltaktivität mit zunehmender DNA-Inkubationszeit festgestellt. Weiterhin ist bemerkenswert, dass der verwendete Kupfer(II)trifluormethoxyphenanthrolin-Komplex erst auf der Oberfläche seine Spaltaktivität entfaltet. Kontrollproben in Lösung zeigten im Gegensatz zu dem immobilisierten Komplex keine Spaltaktivität.
Copper(II)phenanthroline complexes intercalate into DNA and induce DNA cleavage. Here, we investigate the nuclease activity of copper(II)phenanthroline complexes on Silicon nitride films. 1,10-phenanthroline-5-carboxylic acid is immobilized at Si-NHx bonds via amide coupling followed by the formation of copper(II)phenanthroline complexes. XPS and NEXAFS were carried out at the HE-SGM beamline.
In this study, a new direct functionalization method of silicon nitride (Si3N4) using azidation and click chemistry is presented. First, amino groups (NHx) were created on a Si3N4 substrate by fluoride etching. These NHx-terminated Si3N4 surfaces were analyzed by chemical derivatization X-ray photoelectron spectroscopy (CD-XPS) with 4-trifluoromethylbenzaldehyde (TFBA) and a derivatization yield of 20% was concluded. In the second step freshly prepared NHx surfaces were transformed into azides which were used immediately in a click reaction with halogenated alkynes. The presented combination of amination, azidation and click reaction is a promising alternative for common silane-based Si3N4 functionalization methods.
Biosensors are of essential importance in medical and biological diagnostics. Often, they are produced using silane chemistry on glass or silicon oxide surfaces.
However, controlling that silane chemistry is challenging. Here, we present an alternative strategy to form functional organic layers and biosensors on silicon Nitride (Si3N4). H-terminated Si3N4 films are used to generate reactive azide groups by various azidation methods. Biomolecular probes can then be immobilized using click chemistry reactions with the azide groups and due to its high sensitivity in XPS a fluorine-substituted test alkyne was utilized to optimize click chemistry conditions. After that a biotinylated alkyne was clicked to Si3N4 surfaces followed by immobilization of streptavidin as analyte in a model assay. The functionalized surfaces were thoroughly characterized by surface chemical analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS)spectroscopy.
The phase behavior of a dendritic amphiphile containing a Newkome-type dendron as the hydrophilic moiety and a cholesterol unit as the hydrophobic segment is investigated at the air–liquid interface. The amphiphile forms stable monomolecular films at the air–liquid interface on different subphases. Furthermore, the mineralization of calcium Phosphate beneath the monolayer at different calcium and phosphate concentrations versus mineralization time shows that at low calcium and Phosphate concentrations needles form, whereas flakes and spheres dominate at higher concentrations. Energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and electron diffraction confirm the formation of calcium phosphate. High-resolution transmission electron microscopy and electron diffraction confirm the predominant formation of octacalcium phosphate and hydroxyapatite.
The data also indicate that the final products form via a complex multistep reaction, including an association step, where nano-needles aggregate into larger flake-like objects.