Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, belongs to the group of conducting polymers and is characterized by its high stability, a moderate band gap and its optical transparency in the conductive state. A large disadvantage of conducting polymers, and also PEDOT, is their poor solubility. One way to achieve processible materials is the synthesis of colloidal particles. Thus, this work focuses on the development of conductive particles by preparing composite structures. Polymeric colloids like latex particles and microgels were used as templates for the oxidative polymerization of EDOT. Depending on template structure completely different composite morphologies with variable properties were obtained. It was found that modification with PEDOT did not only cause conductive particles for application as humidity sensor materials, but also candidates for further functionalization with gold nanoparticles (Au-NPs). Due to a multi-stage synthesis route it was possible to achieve polystyrene(core)-PEDOT(shell)-particles decored with Au-NPs. Microgels acting as “micro reactors” for the incorporation of PEDOT and Au-NPs were also used for preparing multifunctional composites for catalytic applications. / Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PEDOT, gehört zur Gruppe der leitfähigen Polymere und zeichnet sich durch seine hohe Stabilität, eine moderate Bandlücke und seine optische Transparenz im dotierten Zustand aus. Ein Nachteil leitfähiger Polymere, wie auch von PEDOT, ist deren schlechte Löslichkeit. Die Synthese kolloidaler Partikel bietet jedoch eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen. In diesem Zusammenhang richtete sich der Fokus dieser Arbeit auf die Darstellung leitfähiger Partikel in Form von Kompositstrukturen. Polymerkolloide, wie Latex- und Mikrogelpartikel, sind als Template eingesetzt worden, in deren Gegenwart PEDOT durch eine oxidative Polymerisation synthetisiert wurde. In Abhängigkeit von der Struktur des Templats sind unterschiedliche Kompositmorphologien mit steuerbaren Eigenschaften erhalten worden. Auf diese Weise wurden neben Materialien für die Feuchtigkeitssensorik leitfähige Kompositpartikel hergestellt, die zusätzlich mit Gold-Nanopartikeln (Au-NP) funktionalisiert werden konnten. Durch ein mehrstufiges Syntheseverfahren sind somit Polystyrol(Kern)-PEDOT(Schale)-Partikel mit Au-NP-funktionalisierter Oberfläche synthetisiert worden. Mikrogelpartikel, die als „Mikroreaktoren“ für die Inkorporation von PEDOT- und Au-NP dienten, wurden ebenfalls eingesetzt, um multifunktionale Komposite mit katalytischen Eigenschaften herzustellen.

The main goal of this work is design and synthesis of novel composite hydrogel-based core-shell microparticles and their application for fabrication of coatings, which provide the “inverse-switching” behaviour to the surface, namely, to become more hydrophobic in water environment. Since contact angle of heterogeneous surfaces is dependent on the nature and ratio of surface components, an increase of amount of more hydrophobic component on the surface will cause the reducing of surface wettability. It was suggested that core-shell particles having water-swellable hydrogel core and hydrophobic, but permeable for water shell when deposited on the hydrophilic substrate should increase the total amount of hydrophobic component on the surface when the cores of particles will swell in water. During the work different approaches to obtain freely dispersed and surface-immobilized core-shell particles with required structure were developed. Obtained particles were applied for preparation of coatings with ability to display “inverse-switching” behaviour. It was demonstrated that properly designed and properly prepared core-shell particles could be successfully used for creation of smart adaptive coatings having the ability to alter the surface properties upon changing of the environment.

The main goal of this work is design and synthesis of novel composite hydrogel-based core-shell microparticles and their application for fabrication of coatings, which provide the “inverse-switching” behaviour to the surface, namely, to become more hydrophobic in water environment. Since contact angle of heterogeneous surfaces is dependent on the nature and ratio of surface components, an increase of amount of more hydrophobic component on the surface will cause the reducing of surface wettability. It was suggested that core-shell particles having water-swellable hydrogel core and hydrophobic, but permeable for water shell when deposited on the hydrophilic substrate should increase the total amount of hydrophobic component on the surface when the cores of particles will swell in water. During the work different approaches to obtain freely dispersed and surface-immobilized core-shell particles with required structure were developed. Obtained particles were applied for preparation of coatings with ability to display “inverse-switching” behaviour. It was demonstrated that properly designed and properly prepared core-shell particles could be successfully used for creation of smart adaptive coatings having the ability to alter the surface properties upon changing of the environment.

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, belongs to the group of conducting polymers and is characterized by its high stability, a moderate band gap and its optical transparency in the conductive state. A large disadvantage of conducting polymers, and also PEDOT, is their poor solubility. One way to achieve processible materials is the synthesis of colloidal particles. Thus, this work focuses on the development of conductive particles by preparing composite structures. Polymeric colloids like latex particles and microgels were used as templates for the oxidative polymerization of EDOT. Depending on template structure completely different composite morphologies with variable properties were obtained. It was found that modification with PEDOT did not only cause conductive particles for application as humidity sensor materials, but also candidates for further functionalization with gold nanoparticles (Au-NPs). Due to a multi-stage synthesis route it was possible to achieve polystyrene(core)-PEDOT(shell)-particles decored with Au-NPs. Microgels acting as “micro reactors” for the incorporation of PEDOT and Au-NPs were also used for preparing multifunctional composites for catalytic applications. / Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PEDOT, gehört zur Gruppe der leitfähigen Polymere und zeichnet sich durch seine hohe Stabilität, eine moderate Bandlücke und seine optische Transparenz im dotierten Zustand aus. Ein Nachteil leitfähiger Polymere, wie auch von PEDOT, ist deren schlechte Löslichkeit. Die Synthese kolloidaler Partikel bietet jedoch eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen. In diesem Zusammenhang richtete sich der Fokus dieser Arbeit auf die Darstellung leitfähiger Partikel in Form von Kompositstrukturen. Polymerkolloide, wie Latex- und Mikrogelpartikel, sind als Template eingesetzt worden, in deren Gegenwart PEDOT durch eine oxidative Polymerisation synthetisiert wurde. In Abhängigkeit von der Struktur des Templats sind unterschiedliche Kompositmorphologien mit steuerbaren Eigenschaften erhalten worden. Auf diese Weise wurden neben Materialien für die Feuchtigkeitssensorik leitfähige Kompositpartikel hergestellt, die zusätzlich mit Gold-Nanopartikeln (Au-NP) funktionalisiert werden konnten. Durch ein mehrstufiges Syntheseverfahren sind somit Polystyrol(Kern)-PEDOT(Schale)-Partikel mit Au-NP-funktionalisierter Oberfläche synthetisiert worden. Mikrogelpartikel, die als „Mikroreaktoren“ für die Inkorporation von PEDOT- und Au-NP dienten, wurden ebenfalls eingesetzt, um multifunktionale Komposite mit katalytischen Eigenschaften herzustellen.

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt in der analytischen Chemie ist die Entwicklung (bio)chemischer Sensoren mit hoher Selektivität, Empfindlichkeit und schnellem Ansprechverhalten für den Nachweis und das Monitoring von besorgniserregenden Analyten in Realproben. Fluoreszierende molekular geprägte Sensormaterialien bieten einen innovativen Ansatz, indem sie die spezifischen Erkennungsfähigkeiten molekular geprägter Polymere (MIPs) mit der hohen Empfindlichkeit der Fluoreszenzdetektion kombinieren. Ziel dieser Arbeit war es, MIPs mit optischen Sensoreigenschaften zu entwickeln, um Umweltschadstoffe schnell und spezifisch nachzuweisen. Zur Konstruktion von MIPs mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften wurden fluoreszierende Sonden-Monomere auf Basis des Bor-Dipyrromethen (BODIPY)-Fluorophors entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Verschiedene Akzeptor-Einheiten wurden in das BODIPY-Gerüsts eingeführt, um das Ansprechverhalten auf Zielanalyten mit Carboxylatfunktionen (z.B. Arzneimittelwirkstoffe, Pestizide, oberflächenaktive Substanzen) zu untersuchen. Diese fluoreszierenden Sonden-Moleküle wurden mit polymerisierbaren Einheiten ausgestattet, um ihre kovalente Einbindung in ein quervernetztes MIP-Netzwerk zu ermöglichen, das als Erkennungselement und Signalübermittler dient. Die Molekülstrukturen wurden durch Röntgenkristallanalyse bestätigt. Mit Hilfe spektroskopischer Methoden wurden die photophysikalischen Eigenschaften der Sonden-Monomere und ihre Bindungsaffinität für die Zielmoleküle untersucht, wobei die Sonden-Monomere eine starke Fluoreszenz im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich aufwiesen und bemerkenswerte spektrale Veränderungen bei der Bindung mit den Zielanalyten zeigten. Der Einbau der Sonden in MIP-Schalen auf Siliziumdioxid-Kernpartikeln ermöglichte den selektiven Nachweis eines bestimmten Antibiotikums gegenüber anderen Antibiotika mit ähnlichen funktionellen Gruppen. Weiterhin wurden rot-emittierende BODIPY-Farbstoffe zur Dotierung von Polymerkernen eingesetzt, um ein Sensorsystem mit dualer Emission (d. h., mit Farbstoff dotierter Polymerkern/SiO2-Schale/fluoreszierendes Sonden-Monomer enthaltende MIP-Schale). Diese sensorischen MIPs zeigten eine ratiometrische Fluoreszenzantwort auf ein Antihistaminikum, wobei das eingebaute Referenzsignal im Kern eine Selbstkalibrierung in den Assays ermöglichte. Ein weiteres dual fluoreszierendes MIP-Sensormaterial (d. h. farbstoffdotierter Siliziumdioxidkern/fluoreszierendes Sonden-Monomer enthaltende MIP-Schale) wurde für die direkte Messung von Perfluorcarbonsäuren entwickelt. Die Integration der sensorischen MIPs in einen mikrofluidischen Aufbau führte zu einer mobilen und vielseitigen Sensorplattform, die einfach zu bedienen ist. / One of the current focal points of research in the field of analytical chemistry is the development of (bio)chemical sensors with high selectivity, sensitivity, and rapid response for the detection and monitoring of analytes of high concern in complicated samples. Fluorescent molecularly imprinted sensor materials represent a cutting-edge approach to developing sensors that combine the specific recognition capabilities of molecularly imprinted polymers (MIPs) with the high sensitivity of fluorescence detection. The objective of this thesis was to design, synthesize, and evaluate MIPs with optical sensing properties, focusing mainly on fluorescence, with the aim of rapidly and specifically detecting emerging environmental contaminants. To construct MIPs with exceptional optical characteristics and a well-defined binding mechanism for the recognition of target molecules, a series of tailor-made fluorescent probe monomers based on the boron-dipyrromethene (BODIPY) fluorophore have been designed, synthesized and characterized. Identical acceptor modules were introduced at various positions, or different acceptor modules were introduced at the same position of the BODIPY scaffold, to preliminarily investigate the response behavior of different types of probe monomers for target analytes containing carboxylate functions, ranging from pharmaceuticals to pesticides and surfactants. Additionally, one or two polymerizable units were attached to these fluorescent probe molecules to enable their covalent incorporation into a crosslinked MIP network, serving as recognition element and signal transducers. The molecular structures of these probe monomers were confirmed via X-ray crystal analysis. Spectroscopic approaches were employed to assess the photophysical characteristics of the probe monomers and their binding affinities for the target molecules. These probe monomers exhibited strong fluorescence in the visible-to-near infrared wavelength region, along with remarkable spectral changes upon binding with the target analytes. Incorporation of the fluorescent probes into MIP shells on silica cores achieved selective detection of a targeted antibiotic from other antibiotics with similar carboxylate, amine and aromatic functional groups. In addition, the synthesis of red-emitting BODIPY dyes for doping into polymer cores facilitated the fabrication of a dual-emission sensing system (i.e., dye-doped polymer core/silica shell/MIP shell). The sensory MIPs exhibited a ratiometric fluorescence response to an antihistaminic drug and the presence of a built-in reference signal in the core provided self-calibration for MIP assays. Furthermore, another dual-fluorescent MIP sensor material was engineered (i.e., dye-doped silica core/MIP shell) for the direct monitoring of perfluorocarboxylic acids. The integration of the sensory MIPs into a dedicated microfluidic setup resulted in a portable and easy-to-operate versatile sensing platform.

Diese Dissertation befasste sich mit der Entwicklung von optischen Sensormaterialien für anionische Zielmoleküle durch die Kopplung der herausragenden Erkennungsfähigkeiten von molekular geprägten Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) mit der Empfindlichkeit fluorometrischer Nachweisverfahren. In dieser Arbeit wurde dabei der direkte Einschritt-Nachweis für das Design der Sensormaterialien adaptiert. Hierbei wird eine Fluoreszenzsonde für die Signalübertragung kovalent in die Hohlräume der MIP-Matrix eingebaut. MIP-Sensormaterialien wurde in monolithischen, Dünnfilm- und Kern/Schale-Partikel-Formaten hergestellt. Die hergestellten Materialien wurden unter Verwendung unterschiedlicher Techniken charakterisiert. Die Performanz der Sensormaterialien wurde auch in Bezug auf die Sensitivität, Selektivität sowie Ansprechzeit bewertet. In dieser Arbeit wurden dabei Systeme untersucht, bei denen die Signalerzeugung sowohl auf dem „Einschalten“ als auch auf dem „Ausschalten“ der Fluoreszenz beruhte. Mit den hergestellten Materialien wurden dabei viele Ziele des Projekts erreicht. Sowohl die synthetisierten dünnen Filme als auch die Kern/Schale-Partikel zeigten eine hohe Selektivität für die geprägten Aminosäuren, auch in Bezug auf die Unterscheidung von Enantiomeren. Diese Sensormaterialien waren ebenfalls durch eine niedrige Nachweisgrenze bis 60 µM und eine schnelle Ansprechzeit von 20 Sekunden gekennzeichnet. Insbesondere die Kern/Schale-Partikel können mit verschiedenen Detektionstechniken gekoppelt werden und sind potentiell für die Entwicklung von miniaturisierten Messinstrumenten für die on-line-Detektion sowie Point-of-Care-Diagnostik (patientennahe Labordiagnostik) einsetzbar. / This dissertation derives from the DFG project aimed on preparing optical sensor material for anionic target through combing the outstanding recognition of Molecularly imprinted polymer (MIPs) and sensitive fluorescence technique. A single step direct sensing strategy is adopted to prepare the sensor material in this thesis. Here, a fluorescence probe is covalently embedded into the MIP cavity for signal transduction. MIP sensor material are prepared in forms of bulk, thin film and particles. The material is characterized using various techniques. The performance of the sensor materials is also assessed in terms of sensibility, selectivity as well response time. Both the switching on and off signaling methods are tested in this thesis. The prepared material achieves the goal of the project. Both the prepared thin film as well as core-shell particle show prominent selectivity even a strong enantioselective discrimination. These sensing materials also have low LOD to 60 µM and fast sensing response of 20 seconds. Especially the core-shell sensing particle can be coupled with various detection techniques and is potentially applicable for developing miniaturized sensing instrument for on-line detection as well as point of care diagnose.