Mitochondria are an attractive target for the design of cancer therapy. One of the mechanisms by which chemotherapeutics destroy cancer cells is by inducing apoptosis through extrinsic or intrinsic apoptotic pathways. Extrinsic pathways target cell surface receptors whilst intrinsic pathways target mitochondria. Several studies have shown cancer cell destruction through the extrinsic pathways, which target cancer-specific overexpressed growth factor receptors on the cell membrane. Although the mitochondria dependent apoptotic process is well understood, its application in cancer therapy is still not well developed. Therefore, to design an effective cancer therapy targeting mitochondria, a good understanding in mitochondria dependent apoptotic process is required. Recent developments in nanotechnology have enabled live cell investigations and non-destructive methods to obtain cellular information. The availability of such information would assist to design methods of targeted apoptosis induction. In view of this, I report on studies towards development of cancer therapy where nanoparticles (NPs) were targeted to human cell mitochondria for two purposes: (a) development of cell-imaging tools to investigate the fundamental cell biological pathways inside cells and (b) induction of apoptosis by targeting nanoparticles to mitochondria. Current medical and biological fluorescent imaging methods are mainly based on dye markers, which are limited in light emission per molecule, as well as photostability. Consequently, NPs are gaining prominence for molecular imaging because of their strong and stable fluorescence. Additionally, in order to get insight of mitochondrial molecular information, I investigated the use of optical properties of gold nanoparticles (Au NPs) for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). In this study, two types of Au NPs - nanospheres (Au NS) and nanorods (Au NR) were investigated. Results from this study showed the enhancement effect of Au NPs in Raman spectra of mitochondria, especially in the region from 1500 to 1600 cm-1. In this region, normal Raman spectra of mitochondria showed the presence of some understated Raman peaks probably due to the excitation wavelength dependence. Au NRs showed a larger enhancement effect than Au NS with respect to the penetration depth of the plasmonic nearfield enhancement effect. Although, the details of the enhancement mechanism are beyond the current studies, Au NPs could be enhancing vibrations of aromatic residues in proteins. This study therefore showed that Au NPs could enhance Raman spectra of mitochondria and in addition the shape of the nanoparticles had a significant effect on SERS spectra. In living cells, I investigated some transfection methods and targeting of NPs to mitochondria or cytosolic actin subunits. I tested the performance of three transfection reagents to deliver nanodiamonds (NDs) into living cells. Antibody functionalized NDs were targeted to mitochondria or cytosolic actin subunits. Three transfection reagents were used: cationic liposomes PULSin™, the cell penetrating peptide protamine, and oligosaccharide modified polypropylene imine (PPI) dendrimers. Fluorescence imaging results revealed that dendrimers were the most efficient in delivering ND conjugates to targeted organelles. Protamine-mediated transfections appeared to target ND conjugates to intended organelles, although there was a tendency of unfunctionalized NDs to be directed to the nucleus. PULSin™-mediated transfection formed ND aggregates regardless of the functionalization moiety. This reflected the unsuitability of the cationic liposome to mediate ND transfections. Further, I investigated the potential use of Au NPs for cell imaging and photothermal lysis of mitochondria inside cells. Just as above, I also tested the performance of the three-transfection reagents mentioned above on transfection capacity of Au NPs into living cells. Using transmission electron microscopy (TEM), oligosaccharide modified dendrimers showed the best transfection of functionalized Au NPs. Further experiments explored the use of the nearfield enhancement effect of Au NPs in combination with low-level laser irradiation (LLLI) to induce apoptosis in living cells. Analysis of the apoptotic process using cytochrome c release showed that Au NPs induced apoptosis most probably through mechanical disruption of the outer mitochondrial membrane. However, apoptosis was significantly accelerated in cells with mitochondrially targeted Au NRs than in cells without Au NRs. This study showed successful targeting of Au NPs to mitochondria in living cells, and demonstrated the potential of using Au NPs in combination with laser irradiation to induce the mitochondria dependent apoptotic pathway. In conclusion, the potential use of Au NPs in SERS of mitochondria and the application of NDs for cell imaging of intracellular organelles were demonstrated. Lastly, Au NPs were targeted to mitochondria in living cells and could induce apoptosis due to mechanical disruption of the outer mitochondrial membrane. Consequently, application of low-level laser irradiation to Au NP transfected cells accelerated the apoptotic process.

Mitochondria are an attractive target for the design of cancer therapy. One of the mechanisms by which chemotherapeutics destroy cancer cells is by inducing apoptosis through extrinsic or intrinsic apoptotic pathways. Extrinsic pathways target cell surface receptors whilst intrinsic pathways target mitochondria. Several studies have shown cancer cell destruction through the extrinsic pathways, which target cancer-specific overexpressed growth factor receptors on the cell membrane. Although the mitochondria dependent apoptotic process is well understood, its application in cancer therapy is still not well developed. Therefore, to design an effective cancer therapy targeting mitochondria, a good understanding in mitochondria dependent apoptotic process is required. Recent developments in nanotechnology have enabled live cell investigations and non-destructive methods to obtain cellular information. The availability of such information would assist to design methods of targeted apoptosis induction. In view of this, I report on studies towards development of cancer therapy where nanoparticles (NPs) were targeted to human cell mitochondria for two purposes: (a) development of cell-imaging tools to investigate the fundamental cell biological pathways inside cells and (b) induction of apoptosis by targeting nanoparticles to mitochondria. Current medical and biological fluorescent imaging methods are mainly based on dye markers, which are limited in light emission per molecule, as well as photostability. Consequently, NPs are gaining prominence for molecular imaging because of their strong and stable fluorescence. Additionally, in order to get insight of mitochondrial molecular information, I investigated the use of optical properties of gold nanoparticles (Au NPs) for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). In this study, two types of Au NPs - nanospheres (Au NS) and nanorods (Au NR) were investigated. Results from this study showed the enhancement effect of Au NPs in Raman spectra of mitochondria, especially in the region from 1500 to 1600 cm-1. In this region, normal Raman spectra of mitochondria showed the presence of some understated Raman peaks probably due to the excitation wavelength dependence. Au NRs showed a larger enhancement effect than Au NS with respect to the penetration depth of the plasmonic nearfield enhancement effect. Although, the details of the enhancement mechanism are beyond the current studies, Au NPs could be enhancing vibrations of aromatic residues in proteins. This study therefore showed that Au NPs could enhance Raman spectra of mitochondria and in addition the shape of the nanoparticles had a significant effect on SERS spectra. In living cells, I investigated some transfection methods and targeting of NPs to mitochondria or cytosolic actin subunits. I tested the performance of three transfection reagents to deliver nanodiamonds (NDs) into living cells. Antibody functionalized NDs were targeted to mitochondria or cytosolic actin subunits. Three transfection reagents were used: cationic liposomes PULSin™, the cell penetrating peptide protamine, and oligosaccharide modified polypropylene imine (PPI) dendrimers. Fluorescence imaging results revealed that dendrimers were the most efficient in delivering ND conjugates to targeted organelles. Protamine-mediated transfections appeared to target ND conjugates to intended organelles, although there was a tendency of unfunctionalized NDs to be directed to the nucleus. PULSin™-mediated transfection formed ND aggregates regardless of the functionalization moiety. This reflected the unsuitability of the cationic liposome to mediate ND transfections. Further, I investigated the potential use of Au NPs for cell imaging and photothermal lysis of mitochondria inside cells. Just as above, I also tested the performance of the three-transfection reagents mentioned above on transfection capacity of Au NPs into living cells. Using transmission electron microscopy (TEM), oligosaccharide modified dendrimers showed the best transfection of functionalized Au NPs. Further experiments explored the use of the nearfield enhancement effect of Au NPs in combination with low-level laser irradiation (LLLI) to induce apoptosis in living cells. Analysis of the apoptotic process using cytochrome c release showed that Au NPs induced apoptosis most probably through mechanical disruption of the outer mitochondrial membrane. However, apoptosis was significantly accelerated in cells with mitochondrially targeted Au NRs than in cells without Au NRs. This study showed successful targeting of Au NPs to mitochondria in living cells, and demonstrated the potential of using Au NPs in combination with laser irradiation to induce the mitochondria dependent apoptotic pathway. In conclusion, the potential use of Au NPs in SERS of mitochondria and the application of NDs for cell imaging of intracellular organelles were demonstrated. Lastly, Au NPs were targeted to mitochondria in living cells and could induce apoptosis due to mechanical disruption of the outer mitochondrial membrane. Consequently, application of low-level laser irradiation to Au NP transfected cells accelerated the apoptotic process.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie. / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.

Manipulating light by controlling surface plasmons on metals is being discussed as a means for bridging the size gap between micrometer-sized photonic circuits and nanometer-sized integrated electronics. Plasmonic waveguides based on metal nanoparticles are of particular interest for circumventing the diffraction limit, thereby enabling high-speed communication over short-range distances in miniaturized micro-components. However, scalable, inexpensive fine-tuning of particle assemblies remains a challenge and near-field probing is required to reveal plasmonic interactions. In this thesis, self-assembled waveguides should be produced on DNA scaffolds. DNA origami is an extremely versatile and robust self-assembly method which allows scalable production of nanostructures with a fine control of assemblies at the nanoscale. To form the plasmonic waveguides, six-helix bundle DNA origami nanotubes are used as templates for attachment of highly monodisperse and monocrystalline gold nanoparticles with an inter-particle distance of 1-2 nm. In the first part of this thesis, the effects of parameters which are involved in assembly reactions are systematically investigated. The assembly yield and binding occupancy of the gold nanoparticles are determined by an automated, high-throughput image analysis of electron micrographs of the formed complexes. As a result, unprecedented binding site occupancy and assembly yield are achieved with the optimized synthesis protocol. In addition, waveguides with different sizes of gold nanoparticles and different inter-particle distances, quantum dots attachments to the waveguides and multimerization of the waveguides are successfully realized. In the second part of this thesis, direct observation of energy transport through a self-assembled waveguide towards a fluorescent nanodiamond is demonstrated. High-resolution, near-field mapping of the waveguides are studied by electron energy loss spectroscopy and cathodoluminescence imaging spectroscopy. The experimental and simulation results reveal that energy propagation through the waveguides is enabled by coupled surface plasmon modes. These surface plasmon modes are probed at high spatial and spectral resolutions. The scalable self-assembly approach presented here will enable the construction of complex, sub diffraction plasmonic devices for applications in high-speed optical data transmission, quantum information technology, and sensing. / Die Manipulation des Lichts durch die Kontrolle von Oberflächenplasmonen auf metallischen Oberflächen und Nanopartikeln gilt als vielversprechende Methode zur Überbrückung der Größen-Lücke zwischen Mikrometer-großen photonischen und nanometer-großen elektronischen Schaltkreisen. Plasmonische Wellenleiter basierend auf metallischen Nanopartikeln sind vom besonderen Interesse, da sie die Umgehung des Beugungslimits und somit eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über kurze Distanzen in immer kleiner werdenden Schaltkreisen ermöglichen könnten. Allerdings ist die skalierbare und kostengünstige Anordnung von Partikeln eine große Herausforderung und es werden Nahfelduntersuchungen benötigt um plasmonische Interaktionen detektieren zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist die Selbstassemblierung von multi-partikel Wellenleitern auf DNA Gerüsten. Die Verwendung von DNA-Origami bietet eine äußerst vielseitige Plattform zur skalierbaren Herstellung von Nanostrukturen mittels Selbstassemblierung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Anordnungen im Nanobereich. Für den Aufbau der plasmonischen Wellenleiter werden DNA-Origami Nanoröhren, bestehend aus sechs Helices als Templat für die Anbindung von monodispersen und monokristallinen Goldnanopartikeln mit einem interpartikulären Abstand von 1-2 nm verwendet. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden die beeinflussenden Faktoren dieser Assemblierungsreaktion systematisch untersucht. Die Ausbeute der assemblierten Strukturen und die Besetzung der Bindungsstellen werden durch eine automatisierte und effiziente Bildanalyse von Elektronenmikroskopieaufnahmen ausgewertet. Durch die Entwicklung eines optimierten Syntheseprotokolls werden bisher unerreichte Assemblierungsausbeuten ermöglicht. Zusätzlich erfolgen die experimentelle Realisierung von Strukturen mit verschieden großen Goldnanopartikeln und unterschiedlichen interpartikulären Abständen, sowie die Anbindung von Quantenpunkten an die Wellenleiter und eine Verknüpfung der assemblierten Strukturen. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation befasst sich mit der Untersuchung des Energietransports in selbstassemblierten Wellenleitern über einen fluoreszierenden Nanodiamanten. Dazu erfolgen hochaufgelöste Nahfeldmessungen der Wellenleiter mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie und Kathodolumineszenz-mikroskopie. Die experimentellen Ergebnisse und zusätzlich durchgeführte Simulationen bestätigen eine durch gekoppelte Oberflächenplasmonenmoden induzierte Weitergabe der Energie innerhalb des Wellenleiters. Diese Oberflächenplasmonenmoden werden bei hoher räumlicher und spektraler Auflösung untersucht. Das hier umgesetzte Konzept der Selbstassemblierung wird den Aufbau komplexer plasmonischer Geräte für Anwendungen im Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, der Quanteninformations-technolgie und der Sensorik ermöglichen.