Analytische Chemie
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.
Driven mostly by the search for chemical syntheses under biocompatible conditions, so called "click" chemistry rapidly became a growing field of research. The resulting simple one-pot reactions are so far only scarcely accompanied by an adequate optimization via comparably straightforward and robust analysis techniques possessing short set-up times. Here, we report on a fast and reliable calibration-free online NMR monitoring approach for technical mixtures. It combines a versatile fluidic system, continuous-flow measurement of 1H spectra with a time interval of 20 s per spectrum, and a robust, fully automated algorithm to interpret the obtained data. As a proof-of-concept, the thiol-ene coupling between N-boc cysteine methyl ester and allyl alcohol was conducted in a variety of non-deuterated solvents while its time-resolved behaviour was characterized with step tracer experiments. Overlapping signals in online spectra during thiol-ene coupling could be deconvoluted with a spectral model using indirect hard modeling and were subsequently converted to either molar ratios (using a calibrationfree approach) or absolute concentrations (using 1-point calibration). For various solvents the kinetic constant k for pseudo-first order reaction was estimated to be 3.9 h-1 at 25 °C. The obtained results were compared with direct integration of non-overlapping signals and showed good agreement with the implemented mass balance.
Currently, research in chemical manufacturing moves towards flexible plug-and-play approaches focusing on modular plants, capable of producing small scales on-demand with short down-times between individual campaigns. This approach allows for efficient use of hardware, a faster optimization of the process conditions, and thus, an accelerated introduction of new products to the market. Driven mostly by the search for chemical syntheses under biocompatible conditions, so-called “click” chemistry rapidly became a growing field of research. The resulting simple one-pot reactions are so far only scarcely accompanied by an adequate optimization via comparably straightforward and robust analysis techniques.
Here we report on a fast and reliable calibration-free online high field NMR monitoring approach for technical mixtures. It combines a versatile fluidic system, continuous-flow measurement with a time interval of 20 s per spectrum, and a robust, automated algorithm to interpret the obtained data. All spectra were acquired using a 500 MHz NMR spectrometer (Varian) with a dual band flow probe having a 1/16-inch polymer tubing working as a flow cell. Single scan 1H NMR spectra were recorded with an acquisition time of 5 s, relaxation delay of 15 s. As a proof-of-concept, the thiol-ene coupling between N-boc cysteine methyl ester and allyl alcohol was conducted in non-deuterated solvents while its time-resolved behaviour was characterised with step tracer experiments.
Through the application of spectral modeling the signal area for each reactant can be deconvoluted in the online spectra and thus converted to the respective concentrations or molar ratios. The signals which were suitable for direct integration were used herein for comparison purposes of both methods.
Currently research in chemical manufacturing moves towards flexible plug-and-play approaches focusing on modular plants, capable of producing small scales ondemand with short down-times between individual campaigns. This approach allows for efficient use of hardware, a faster optimization of the process conditions, and thus, an accelerated introduction of new products to the market. Driven mostly by the search for chemical syntheses under biocompatible conditions, so-called “click” chemistry rapidly became a growing field of research. The resulting simple one-pot reactions are so far only scarcely accompanied by an adequate optimization via comparably straightforward and robust analysis techniques. Here we report on a fast and reliable calibration-free online high field NMR monitoring approach for technical mixtures. It combines a versatile fluidic system, continuous-flow measurement with a time interval of 20 s per spectrum, and a robust, automated algorithm to interpret the obtained data. All spectra were acquired using a 500 MHz NMR spectrometer (Varian) with a dual band flow probe having a 1/16 inch polymer tubing working as a flow cell. Single scan 1H spectra were recorded with an acquisition time of 5 s, relaxation delay of 15 s. As a proof-of-concept, the thiol-ene coupling between N-boc cysteine methyl ester and allyl alcohol was conducted in non-deuterated solvents while its time-resolved behaviour was characterised with step tracer experiments Through the application of spectral modeling the signal area for each reactant can be deconvoluted in the online spectra and thus converted to the respective concentrations or molar ratios. The signals which were suitable for direct integration were used herein for comparison purposes of both methods.