• search hit 1 of 1
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001616-5

Tailored surface and electrode modifications for analytical and biochemical applications

  • Surface and electrode modifications allow the alteration of surface and electrode properties required for certain applications. In the first part of this thesis, a pH sensitive graphite/quinhydrone composite electrode for Flow-Injection-Analysis (FIA) systems was optimized by using polysiloxane as binder material. This allows an easier handling of the electrode. Furthermore, new applications of the FIA system in conjunction with the pH sensitive detection system were developed. The electrode used here in conjunction with a common reference electrode proved to be a very useful potentiometric detector for FIA acid-base titrations of aqueous solutions. Even acid-base titrations in buffered solutions were performed successfully with the FIA system allowing the determination of activities of enzymes, which catalyse reactions with increasing or decreasing proton concentrations. A FIA system was applied to measure calcium and magnesium ions in different water samples by measuring the hydronium ion release during the complexometric reaction between EDTA and calcium or magnesium ions. A method was established to determine sequentially the titratable acidity and the pH of different wine samples. The new FIA method fulfils the official requirements of the "Organisation Internationale de la Vigne et du Vin" with respect to reproducibility and repeatability and can be easily adjusted to the legal requirements in USA and Europe. In summary, the first part of this thesis shows that the FIA system in conjunction with the graphite/quinhydrone/polysiloxane composite electrode is very well suited for simple, rapid and automatic determinations of small sample volumes in the areas of water analysis, food analysis or even biochemical analysis, provided that hydronium ions are involved. For all applications, one and the same measuring device without changing the detection system is used. Only different carrier solutions are necessary, which can be provided by a proper stream selector. The second part of this thesis is focused on the modification of gold surfaces of medical devices by treatment with OH radicals. These investigations are based on previous studies of the impact of OH radicals on mechanically polished gold surfaces resulting in a smoothing of the surface by dissolution of highly reactive gold atoms. In this thesis, the effect of OH radicals, generated either ex vivo by Fenton solutions or in vivo by immune reactions, on gold implants was analysed using atomic force microscopy. It was found that there is an analogy between the exposure of gold to Fenton solutions and the exposure of gold to immune reactions. The pre-treatment of gold implants with OH radicals of Fenton solution prevents surface alterations of the gold implants in vivo. This indicates that the in vivo release of gold from implants can be reduced by exposing the gold implants to Fenton solution before implantation. Finally, the modification of gold surfaces by OH radicals was applied to a medical nanodetector, which is coated with a gold layer and functionalized with antibodies, for isolating circulating tumour cells (CTCs) from the blood stream of cancer patients. By treating the gold layer of the nanodetector with OH radicals generated by Fenton solution or by UV-photolysis of hydrogen peroxide, the cytotoxicity of the gold layer after gamma irradiation was reduced to almost zero. This modification of the gold surface with OH radicals allows applying the nanodetector for in vivo applications.
  • Durch Oberflächen- und Elektrodenmodifizierungen können die Eigenschaften von Oberflächen bzw. Elektroden verändert und somit an bestimmte Anforderungen angepasst werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine pH-empfindliche Graphit-Chinhydron-Komposit-Elektrode für die Fließinjektionsanalytik (FIA) weiterentwickelt, indem Silikon als Bindematerial verwendet wurde. Dadurch wurde die Handhabung der Elektrode erheblich erleichtert. Die weiterentwickelte Graphit-Chinhydron-Komposit-Elektrode wurde dann in Kombination mit einer handelsüblichen Referenzelektrode als Detektionssytem in der FIA verwendet, um verschiedenste neue Applikationen für die FIA zu entwickeln. Die Kompositelektrode in Verbindung mit einer Referenzelektrode hat sich als hervorragender potentiometrischer Detektor für Säure-Base-Titrationen unter Fließbedingungen erwiesen. Säure-Base-Titrationen konnten sogar in gepufferten Lösungen erfolgreich durchgeführt werden. Dies ermöglicht z.B. Aktivitätsbestimmungen von Enzymen, die Reaktionen mit Protonenfreisetzung bzw. Protonenverbrauch katalysieren. Außerdem wurde eine FIA-Methode entwickelt, um Calcium- und Magnesiumionenkonzentrationen in verschiedenen Wasserproben zu bestimmen. Diese Methode beruht auf Messung der während der komplexometrischen Reaktion zwischen EDTA und Calcium- bzw. Magnesiumionen freigesetzten Protonenkonzentration. Weiterhin ist es gelungen die titrierbare Gesamtsäure sowie den pH-Wert von Weinproben zu bestimmen. Die neuentwickelte FIA-Methode erfüllt hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit die offiziellen Anforderungen der Internationalen Organisation für Rebe und Wein und kann leicht an die gesetzlichen Festlegungen Europas und der USA zur Bestimmung der titrierbaren Gesamtsäure und des pH-Wertes von Weinproben angepasst werden. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte also gezeigt werden, dass die FIA in Kombination mit der Graphit-Chinhydron-Silikon-Komposit-Elektrode sehr gut geeignet ist, um einfache, schnelle und automatische Bestimmungen kleiner Probevolumina in den Bereichen Wasser- und Umweltanalytik, Lebensmittelanalytik und sogar biochemischer Analytik durchzuführen – vorausgesetzt Hydroniumionen sind beteiligt. Für all die verschiedenen Anwendungen kann ein und dasselbe Messsytem (inklusive Detektionseinheit) verwendet werden. Lediglich die Trägerlösung muss ausgetauscht werden, was durch einen geeigneten „Stream selector“ problemlos erreicht werden kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Goldoberflächen medizinischer Produkte durch Behandlung mit OH Radikalen modifiziert, mit dem Ziel, die Biokompatibilität der Goldimplantate zu erhöhen. Die Untersuchungen basierten auf vorhergehenden Studien, in denen festgestellt wurde, dass mittels Fentonlösungen erzeugte OH Radikale mechanisch polierte Goldoberflächen angreifen und dabei die Oberfläche durch Ablösen von hochreaktiven Goldatomen glätten. Im Rahmen dieser Arbeit sollte zunächst die Wirkung von OH Radikalen auf Goldimplantate mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht werden. Die OH Radikale wurden sowohl ex vivo durch die Fentonreaktion als auch in vivo durch Immunreaktionen erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass der Effekt von Immunreaktionen auf Goldoberflächen analog dem Effekt von Fentonlösungen auf Goldoberflächen ist, d.h. auch durch Immunreaktionen wurde eine Glättung der Goldoberfläche beobachtet. Eine Vorbehandlung der Goldimplantate mit OH Radikalen, die mittels Fentonlösungen generiert wurden, verhinderte weitere Oberflächenveränderungen der Goldimplantate in vivo. Daraus folgt, dass durch eine entsprechende Behandlung der Goldoberflächen mit Fentonlösungen vor der Implantation die in vivo Goldfreisetzung aus Implantatoberflächen reduziert werden kann. Weiterhin wurde die Modifizierung von Goldoberflächen durch Behandlung mit OH Radikalen auf einen medizinischen Nanodetektor angewandt. Dieser Nanodetektor besteht aus einem Edelstahldraht, der mit einer Goldschicht überzogen und anschließend mit Antikörpern funktionalisiert ist, um zirkulierende Tumorzellen aus dem Blutstrom von Krebspatienten zu isolieren. Die Goldschicht des Nanodetektors wies jedoch nach Gammasterilisation eine Zytotoxizität auf, die die in vivo Anwendung des Detektors verhinderte. Durch Behandlung der Goldschicht mit OH Radikalen, die entweder mithilfe von Fentonlösungen oder mittels UV-Photolyse von Wasserstoffperoxid erzeugt wurden, konnte die Zytotoxizität der Goldschicht nach Gammasterilisation komplett verhindert werden. Erst die Modifizierung der Goldschicht durch Behandlung mit OH Radikalen ermöglicht den in vivo Einsatz des Nanodetektors.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Katja Vahl
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001616-5
Title Additional (English):Tailored surface and electrode modifications for analytical and biochemical applications
Title Additional (German):Gezielte Oberflächen- und Elektrodenmodifizierungen für analytische und biochemische Anwendungen
Advisor:Dr. Heike Kahlert, Prof. Dr. Fritz Scholz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2013/10/23
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/08/28
Release Date:2013/10/23
Tag:Chinhydron, Oberflächenmodifizierung, pH-Elektrode
pH electrode, quinhydrone, surface modification
GND Keyword:Biokompatibilität, Cytotoxizität, Fließinjektionsanalyse, Gold, Hydroxyl, Potentiometrie, Rasterkraftmikroskopie, Titration, Wasserhärte, Wein
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie