TY - THES A1 - Efremenko, Julia T1 - Development of a new sensing technology and chemosensitive material for affinity sensors based on conducting polymers T1 - Entwicklung neuer Sensortechnologien und chemosensitiven Materials für Affinitätssensoren auf Basis leitfähiger Polymere N2 - The work is focused on the further development of chemical sensors based on conducting polymers. The particular objectives include: (i) implementation of a novel concept for chemical sensors based on the electrical control of the affinity of a receptor layer; (ii) development of a new chemosensitive polymer for the detection of glucose and other diol-containing compounds; (iii) the elaboration of the electrochemical deposition of conducting polymers on a non-metallic plasmonic support. The first task involves the exploitation of the redox activity of conducting polymers, whereby each redox state exhibits distinct affinity properties. This principle was realized on the base of integrated electrochemical transistor comprising a conducting polymer as a receptor layer deposited onto four measurement electrodes, which were wired to the Ag/AgCl electrode through a chloride-containing ionic liquid. This additional electrode was used to control the redox state of the conducting polymer. It was demonstrated that the sensor exhibited an electrically switchable affinity to trimethylamine. This approach was applied to develop a novel chemosensing concept: a virtual sensor array comprising only a single chemosensitive element. The concept was applied in the development of a chemical sensor for the analysis of fish freshness. The second task is concerned with the electrochemical synthesis and analysis of the analytical properties of a novel chemosensitive material, poly-3-thienylboronic acid. This polymer can be synthesized as a film on the surface, as a free-standing polymer film or as polymeric nanoparticles. The presence of the boronic acid group makes it sensitive to saccharides and other compounds containing diols. The use of an adhesive self-assembled monolayer resulted in the formation of highly stable, thin polymer films on the gold electrodes. The formed polymer exhibited conductive properties, while the binding of compounds containing diols resulted in a significant increase in resistance. The affinity of this novel material to a range of different compounds was studied at varying pH and electrode potentials and compared to the affinity of its monomer. It was demonstrated that poly-3-thienylboronic acid has a high affinity for glucose. The measurements performed in a solution containing the main component of human serum indicate that this sensor may have potential applications in the medical field. The third task includes the electrochemical deposition of various conducting polymers, including poly-3-thienylboronic acid, on the surface of titanium nitride and plasmonic nanohole structures based on this material. The modes of the electrochemical polymer deposition and polymer pretreatment required for the electrochemical deposition and analysis were optimized. The research results are important for developing affinity sensors that utilize conducting polymers as chemosensitive receptor layers. N2 - Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Weiterentwicklung chemischer Sensoren auf der Grundlage leitfähiger Polymere. Zu den jeweiligen Aufgabenstellungen gehören: (i) die Umsetzung eines neuartigen Konzepts für chemische Sensoren, das auf der elektrischen Steuerung der Affinität einer Rezeptorschicht beruht; (ii) die Entwicklung eines neuen chemosensitiven Polymers für den Nachweis von Glukose und anderen diolhaltigen Verbindungen; (iii) die Ausarbeitung einer elektrochemischen Abscheidung von leitfähigen Polymeren auf einem nichtmetallischen plasmonischen Träger. Die erste Aufgabe basiert auf der Ausnutzung der Redox-Aktivität von leitfähigen Polymeren, wobei jeder Redox-Zustand unterschiedliche Affinitätseigenschaften aufweist. Dieses Prinzip wurde auf der Grundlage eines integrierten elektrochemischen Transistors realisiert, der ein leitfähiges Polymer als Rezeptorschicht enthält, das auf vier Messelektroden aufgebracht ist, die über eine chloridhaltige ionische Flüssigkeit mit der Ag/AgCl-Elektrode verbunden sind. Diese zusätzliche Elektrode diente der Kontrolle des Redox-Zustands des leitfähigen Polymers. Die zweite Aufgabe konzentriert sich auf die elektrochemische Synthese und Analyse der analytischen Eigenschaften eines neuartigen chemosensitiven Materials, Poly-3-thienylboronsäure. Dieses Polymer kann als Film auf der Oberfläche, als freistehender Polymerfilm oder als polymere Nanopartikel synthetisiert werden. Aufgrund der Boronsäuregruppe ist dieser empfindlich gegenüber Sacchariden und anderen diolhaltigen Verbindungen. Die Verwendung einer klebenden selbstorganisierenden Einzelschicht führte zur Bildung äußerst stabiler dünner Polymerfilme auf den Goldelektroden. Das gebildete Polymer wies leitende Eigenschaften auf, während die Bindung von diolhaltigen Verbindungen zu einem deutlichen Anstieg des Widerstands führte. Die Affinität dieses neuen Materials zu einer Reihe verschiedener Verbindungen wurde bei unterschiedlichen pH-Werten und Elektrodenpotentialen untersucht und mit der Affinität seines Monomers verglichen. Die dritte Aufgabe beinhaltet die elektrochemische Abscheidung verschiedener leitfähiger Polymere, darunter Poly-3-thienylboronsäure, auf der Oberfläche von Titannitrid und auf plasmonischen Nanolochstrukturen auf Basis dieses Materials. In diesem Fall erforderte die elektrochemische Abscheidung eine definierte Vorbehandlung der Elektrodenoberfläche. KW - Electrically driven affinity control KW - Affinity sensors KW - Conducting polymers KW - Chemotransistor KW - Leitfähige Polymere KW - Affinitätssensoren KW - Chemischer Transistor KW - Elektrisch angetriebene Affinitätskontrolle KW - Chemischer Sensor KW - Biosensor KW - Glucose-Sensor KW - Leitfähige Polymere KW - Redoxpolymere Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-70123 ER - TY - THES A1 - Scherbahn, Vitali T1 - Towards ultrasensitive SPR-based sensing: self-referencing and detection of single nanoparticles T1 - Entwicklung ultrasensitiver SPR-basierter Sensortechnologien: Selbstreferenzierung und Nachweis einzelner Nanopartikel N2 - Surface plasmon resonance (SPR) and its extensions, surface plasmon resonance imaging (SPRi) and surface plasmon resonance microscopy (SPRM) both enabling visualization of the sensor surface, belong to classical, indispensable highly sensitive and robust optical (bio)analytical techniques to study affinity processes on a surface. Nevertheless, SPR and SPRi/SPRM undergo a continuous development in regard to the improvement of sensitivity. The main challenge in this direction is attributed to the separation of signals due to the binding of analytes and those due to the bulk effect. The main task of the present thesis was to apply different strategies to improve the performance of SPR sensing. Within this scope, two main objectives were pursued: (1) implementation and realization of a so-called internal referencing towards suppression of the bulk effect leading to an improvement and optimization of the signal-to-noise ratio (SNR) and (2) application of wide-field (WF)-SPRM to detect, to visualize and to characterize single nanoparticles adsorbed to modified surfaces. The first objective of this thesis comprises the realization of three different internal-referencing approaches. In the first approach, a self-referencing effect based on arbitrarily distributed micro-patterned self-assembled monolayer (SAM) containing sensing and referencing spots was realized. Measurements of classical antigen-antibody-interaction resulted in a 10-fold improvement of the SNR by suppression of the bulk effect and the corresponding microfluctuations of the bulk temperature. The application of the second internal-referencing-approach, ionic referencing, acting as an assessment of patterned SAM was realized using electrolytes with a high molar refraction of either anions or cations to micro-patterned SAM combined with WF-SPRM as detecting technology. As a result, successful, unobtrusive visualization and spatial distinction of micro-patterned surfaces was shown. Unlike visualization of micro-scaled surface areas, the application of spatio-temporal referencing in WF-SPRM, as a third type of internal referencing, enables to detect, moreover to visualize and localize, smallest changes in refractive index near/on the sensor surface. In that sense, the second objective of this thesis was dedicated to the application of the WF-SPRM technology combined with spatio-temporal referencing to detect, to visualize, to quantify and to characterize single nanoparticles adsorbed to the sensor surface; here, nanoparticles act as analyte species. Based on a sophisticated image analysis, successful detection and characterization of single nanoparticles in complex media such as wine, juice and sun cream was performed. Besides being a powerful solution for nanoparticles analytics, the WF-SPRM technology represents a base to develop novel, ultra-sensitive and fast (bio)sensing platforms. Within this scope, enzyme-assisted generation of nanoparticles was studied. N2 - Oberflächenplasmonenresonanz (engl. surface plasmon resonance, SPR) und deren Erweiterungen Oberflächenplasmonenresonanz-Imaging (SPRi) und Oberflächenplasmonenresonanz-Mikroskopie (SPRM) gehören zu den klassischen, unverzichtbaren, robusten und äußerst empfindlichen Messtechnologien, um Affinitätsprozesse auf modifizierten Oberflächen zu untersuchen. Nichtsdestotrotz unterliegt diese Messtechnologie einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess hinsichtlich der Messempfindlichkeit. Dabei stellt die Trennung des Affinitäts- vom Volumensignal die größte Herausforderung dar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation besteht in der Anwendung von unterschiedlichen Strategien zur Optimierung der Leistung und der Empfindlichkeit von SPR-basierten (Bio)sensoren. Um das Ziel zu erreichen, wurden zwei Ansätze verfolgt: (1) Implementierung und Realisierung einer sogenannten internen Referenzierung zur Unterdrückung des Volumeneffekts mit dem Ziel, das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren und (2) die Anwendung von Weitfeldoberflächenplasmonenresonanzmikroskopie (engl. wide-field (WF)-SPRM) zur Detektion, Visualisierung und Charakterisierung der Adsorption einzelner Nanopartikel auf modifizierten Oberflächen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden drei Ansätze zur Realisierung einer internen Referenzierung verfolgt. Der erste Ansatz basiert auf der Anwendung einer durch Referenz- und aktive Oberflächenbereiche mikrostrukturierten Beschichtung der Sensoroberfläche. Messungen von Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen ergaben dabei eine 10-fache Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Der zweite Ansatz – ionische Referenzierung, um mikrostrukturierte Oberflächen mithilfe von WF-SPRM zu untersuchen bzw. abzubilden – basiert auf der Anwendung von Salzen, welche eine hohe Differenz in ihrer Molrefraktion aufweisen. Somit konnten schwierig zu untersuchende monomolekulare Oberflächenstrukturen, die z.B. unterschiedliche Oberflächenladungen aufweisen, sichtbar gemacht werden. Der dritte Ansatz basiert auf der Kombination einer räumlich-zeitlichen (engl. spatio-temporal) Bildreferenzierung mit bildgebender WF-SPRM-Technologie, um äußerst minimale Änderungen im Brechungsindex nahe der Sensoroberfläche visuell zu erfassen. Gleichzeitig stellt dieser Ansatz den zweiten Teil der vorliegenden Arbeit dar: Nachweis, Sichtbarmachung und Analyse der Wechselwirkung zwischen einzelnen Nanopartikeln und modifizierten Sensoroberflächen mittels höchstempfindlicher WF-SPRM. Der Nachweis einzelner Nanopartikel mittels WF-SPRM eröffnet neue Perspektiven hinsichtlich der Entwicklung innovativer Sensorplattformen. In diesem Sinne wurde die WF-SPRM-Technologie zur Untersuchung von enzym-vermittelter Synthese von Nanopartikeln sowohl mit ungebundenem als auch mit an die Sensoroberfläche gekoppeltem Enzym erfolgreich eingesetzt. KW - Surface plasmon resonance microscopy KW - Self-referencing KW - Single nanoparticles KW - Ezymatic synthesis of nanoparticles KW - Surface patterning KW - Enzymvermittelte Synthese von Nanopartikeln KW - Selbstreferenzierung KW - Einzelne Nanopartikel KW - Oberflächenstrukturierung KW - Oberflächenplasmonenresonanzmikroskopie KW - Oberflächenplasmonenresonanz KW - Oberflächenstruktur KW - Biosensor KW - Nanopartikel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47119 ER -