Das Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verlief linear und ergab bei 15 Schichten eine Zunahme der redoxaktiven Proteinmenge um deutlich mehr als eine Größenordnung. Während das formale Potential im Multischichtsystem sich im Vergleich zur Monoschichtelektrode nicht veränderte, wurde für die Kinetik eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektronentransfers von der Zahl der Proteinschichten beobachtet. Mit zunehmender Scangeschwindigkeit trat ein reversibler Kontaktverlust zu den äußeren Schichten auf. Die lineare Zunahme an elektroaktivem Protein mit steigender Zahl an Depositionsschritten unterscheidet sich deutlich von in der Literatur beschriebenen Protein/Polyelektrolyt-Multischichtelektroden, bei denen ab etwa 6-8 Schichten keine Zunahme an elektroaktivem Protein mehr festgestelltwurde. Auch ist bei diesen die Zunahme an kontaktierbaren Proteinmolekülen auf das Zwei- bis Fünffache limitiert. <br><br> Diese Unterschiede des neu vorgestellten Systems zu bisherigen Multischichtassemblaten erklärt sich aus einem in dieser Arbeit für derartige Systeme erstmals beschriebenen Elektronentransfermechanismus. Der Transport von Elektronen zwischen der Elektrodenoberfläche und den Proteinmolekülen in den Schichten verläuft über einen Protein-Protein-Elektronenaustausch. Dieser Mechanismus beruht auf dem schnellen Selbstaustausch von Cytochrom c-Molekülen und einer verbleibenden Rotationsflexibilität des Proteins im Multischichtsystem. Die Reduzierung des Proteins durch das Superoxidradikal und eine anschließende Reoxidation durch die Elektrode konnten nachgewiesen werden. In einem amperometrischen Messansatz wurde das durch Superoxidradikale hervorgerufene elektrochemische Signal in Abhängigkeit von der Zahl an Proteinschichten gemessen. Ein maximales Ansprechverhalten auf das Radikal wurde mit 6-Schichtelektroden erzielt. Die Empfindlichkeit der 6-Schichtelektroden wurde im Vergleich zum Literaturwert der Monoschichtelektrode um Faktor 14, also mehr als eine Größenordnung, verbessert. <br><br> Somit konnte eine Elektrode mit 6 Schichten aus Cytochrom c und Poly(anilinsulfonsäure) als neuartiger Superoxidsensor mit einer 14-fachen Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zum bislang benutzten System entwickelt werden. <br><br> Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auswahl, Gewinnung und Charakterisierung von Mutanten des Proteins Cu,Zn-Superoxiddismutase zur elektrochemischen Quantifizierung von Superoxidradikalen. Monomere Mutanten des humanen dimeren Enzyms wurden entworfen, die durch Austausch von Aminosäuren ein oder zwei zusätzliche Cysteinreste besaßen, mit welchem sie direkt auf der Goldelektrodenoberfläche chemisorbieren sollten. 6 derartige Mutanten konnten in ausreichender Menge und Reinheit in aktiver Form gewonnen werden. Die Bindung der Superoxiddismutase-Mutanten an Goldoberflächen konnte durch Oberflächen-plasmonresonanz und Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Alle Mutanten wiesen einen quasi-reversiblen Elektronentransfer zwischen SOD und Elektrode auf. Durch Untersuchung von kupferfreien SOD-Mutanten sowie des Wildtyps konnte nachgewiesen werden, das die Mutanten über die eingefügten Cysteinreste auf der Elektrode chemisorptiv gebunden wurden und der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Kupfer im aktiven Zentrum der SOD erfolgte. <br><br> Die Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung von Superoxidmolekülen durch Oxidation und durch Reduktion der Radikale. Somit sind beide Teilreaktionen von analytischem Interesse. Zyklovoltammetrisch konnte sowohl die Oxidation als auch die Reduktion des Radikals durch die immobilisierten Superoxiddismutase-Mutanten nachgewiesen werden. In amperometrischen Messanordnungen konnten beide Teilreaktionen zur analytischen Quantifizierung von Superoxidradikalen genutzt werden. Im positiven Potentialfenster wurde die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 10 gegenüber der Cytochrom c–Monoschichtelektrode verbessert. / The superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes. <br><br> The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors. <br><br> In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, this increase was found to be more than one order of magnitude. While the formal potential did not change for the proteins in the layers, the rate of electron transfer was found to be dependent on the number of layers deposited. With increased scanning speed, a reversible loss of contact to the outer layers was noted. The linear increase in electroactive protein loading differed significantly from protein/polyelectrolyte electrodes described in the literature, where after 6-8 layers no further increase was found. Additionally, these systems increase the number of electroactive protein molecules only by a factor of 2 to 5. <br><br> These differences can be explained by an electron transfer mechanism which was demonstrated in this work for the first time. The transport of electrons between the electrode surface and the proteins in the layers takes place by a protein-protein electron transfer. This mechanism relies on the fast self-exchange of cytochrome c and a residual rotational flexibility of the protein molecules inside the structure. The reduction of the protein by the radical and its subsequent reoxidation by the electrode could be shown. In the amperometric mode, the sensor signal was determined for 2 to 15 layer electrodes. A maximum signal was found for 6 layers, where the sensitivity was improved by a factor of 14, compared to monolayer sensors. <br><br> The second part of this work describes the selection, production and characterization of mutants of the protein Cu,Zn-superoxide dismutase and their application as superoxide sensors. Monomeric mutants of the human dimeric enzyme were designed, which contained one ore two additional cysteines in order to chemisorb directly onto gold surfaces. 6 such mutants were gained in sufficient amount and purity. The binding to gold was characterized by surface plasmon resonance studies. All mutants showed quasi-reversible electrochemistry on gold electrodes. Experiments with copper-free mutants and the wildtype enzyme proved that the mutants bind to gold via the additional cysteines, while the electron transfer takes place between the electrode and the active site copper. Superoxide dismutases catalyze the removal of superoxide by both oxidation and reduction. Thus, both partial reactions are of analytical interest. In cyclic voltammetry, both oxidation and reduction of the radical could be proved. In amperometric experiments, both reactions were used for a quantification of superoxide concentrations. In the positive potential window, the sensitivity was found to be increased by about one order of magnitude, as compared to the cytochrome c monolayer electrode.<br> -----------<br><br> <b>Hinweis zum Copyright:</b><br>Einige Abbildungen dieser Arbeit sind in Artikeln des Verfassers in den Zeitschriften <i>Angewandte Chemie, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemisty</i> und <i>Elektroanalysis</i> erschienen.<br> Ihre Darstellung im Rahmen dieser Arbeit erfolgt auch online mit ausdrücklicher Genehmigung der Verlage.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der Ladungsdichte des Polyelektrolyts sowie der Molmasse und der Ionenkonzentration der Lösung bei der Adsorption von Poly(vinylformamid) und Poly(vinylamin) an Kieselgel 60 und an Titandioxid unter-sucht. Die Charakterisierung der Polyelektrolyteigenschaften der modifizierten anorganischen Partikel erfolgt mit elektrokinetischen und potentiometrischen Mes-sungen. Es konnte gezeigt werden, daß Poly(vinylamine) mit geringen Ladungs-dichte ein Screening-enhanced-Verhalten zeigen, während bei hoher Ladungsdichte am Polyelektrolyt ein Screening-reduced-Verhalten vorliegt. Der Einfluß der Polymerfunktionalisierung auf die Oberflächenpolarität der Hybridpartikel wurde durch UV-VIS-spektroskopische Bestimmung der ET(30)-Werte nach Reichardt nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Adsorption von Poly(vinylaminen) wird die Synthese von geladenen Netzwerken auf der Oberfläche der anorganischen Partikel vorgestellt. Die aus wässriger Lösung adsorbierte Polyelektrolytschicht wird dabei in einem zweiten Schritt in einem organischen Lösungsmittel mit bifunktionellen Vernetzermolekülen (4,4´-Diisocyanato)diphenylmethan, Fulleren C60] umgesetzt. Der erfolgreiche Ablauf der Reaktion konnte im Fall des Isocyanats mit Festkörper-NMR-, ESCA- und ATR-FTIR-Messungen nachgewiesen werden. Um die Umsetzung mit Fullerenen nachzuweisen, wurde die EPR-Spektroskopie eingesetzt.

LCST-type synthetic thermoresponsive polymers can reversibly respond to certain stimuli in aqueous media with a massive change of their physical state. When fluorophores, that are sensitive to such changes, are incorporated into the polymeric structure, the response can be translated into a fluorescence signal. Based on this idea, this thesis presents sensing schemes which transduce the stimuli-induced variations in the solubility of polymer chains with covalently-bound fluorophores into a well-detectable fluorescence output. Benefiting from the principles of different photophysical phenomena, i.e. of fluorescence resonance energy transfer and solvatochromism, such fluorescent copolymers enabled monitoring of stimuli such as the solution temperature and ionic strength, but also of association/disassociation mechanisms with other macromolecules or of biochemical binding events through remarkable changes in their fluorescence properties. For instance, an aqueous ratiometric dual sensor for temperature and salts was developed, relying on the delicate supramolecular assembly of a thermoresponsive copolymer with a thiophene-based conjugated polyelectrolyte. Alternatively, by taking advantage of the sensitivity of solvatochromic fluorophores, an increase in solution temperature or the presence of analytes was signaled as an enhancement of the fluorescence intensity. A simultaneous use of the sensitivity of chains towards the temperature and a specific antibody allowed monitoring of more complex phenomena such as competitive binding of analytes. The use of different thermoresponsive polymers, namely poly(N-isopropylacrylamide) and poly(meth)acrylates bearing oligo(ethylene glycol) side chains, revealed that the responsive polymers differed widely in their ability to perform a particular sensing function. In order to address questions regarding the impact of the chemical structure of the host polymer on the sensing performance, the macromolecular assembly behavior below and above the phase transition temperature was evaluated by a combination of fluorescence and light scattering methods. It was found that although the temperature-triggered changes in the macroscopic absorption characteristics were similar for these polymers, properties such as the degree of hydration or the extent of interchain aggregations differed substantially. Therefore, in addition to the demonstration of strategies for fluorescence-based sensing with thermoresponsive polymers, this work highlights the role of the chemical structure of the two popular thermoresponsive polymers on the fluorescence response. The results are fundamentally important for the rational choice of polymeric materials for a specific sensing strategy. / Als Reaktion auf bestimmte äußere Stimuli ändern bestimmte wasserlösliche Polymere reversibel ihren physikalischen Zustand. Dieser Vorgang kann mithilfe von Fluorophoren, die in die Polymerstrukturen eingebaut werden und deren Fluoreszenzeigenschaften vom Polymer¬zustand abhängen, detektiert werden. Diese Idee ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, die sich damit beschäftigt, wie äußerlich induzierte Änderungen der Löslichkeit solcher Polymere mit kovalent gebundenen Fluorophoren in Wasser in ein deutlich messbares Fluoreszenzsignal übersetzt werden können. Dazu werden photophysikalische Phänomene wie Fluoreszenz-Resonanz¬energie¬transfer und Solvatochromie ausgenutzt. In Kombination mit einem responsiven Polymergerüst wird es möglich, verschiedene Stimuli wie Lösungs¬temperatur oder Ionenstärke, oder auch Assoziation-Dissoziation Reaktionen mit anderen Makromolekülen oder biochemische Bindungs¬reaktionen über die Änderung von Fluorezenz¬farbe bzw. –Intensität autonom mit bloßem Auge zu detektieren. Unter anderem wurde ein wässriger ratiometrischer Temperatur- und Salzsensor entwickelt, der auf der komplexen supramolekularen Struktur eines thermoresponsiven Copolymers und eines thiophenbasierten konjugierten Polyelektrolyts beruht. Die Anbindung solvato¬chromer Fluorophore erlaubte den empfindlichen Nachweis einer Temperatur¬änderung oder des Vorhandenseins von Analyten. Komplexere Phänomene wie das kompetitive Anbinden von Analyten ließen sich hochempfindlich steuern und auslesen, indem gleichzeitig die Sensitivität dieser Polymeren gegenüber der Temperatur und spezifischen Antikörpern ausgenutzt wurde. Überraschenderweise wiesen die hier untersuchten thermoresponsiven Polymere wie poly-N-isopropylacrylamid (pNIPAm) oder poly-Oligoethylenglykolmethacrylate (pOEGMA) große Unterschiede bzgl. ihrer responsiven optischen Eigenschaften auf. Dies erforderte eine ausführliche Charakterisierung des Fluoreszenz- und Aggregationsverhaltens, unter- und oberhalb des Phasenübergangs, im Bezug auf die chemische Struktur. Ein Ergebnis war, dass alle drei Polymertypen sehr ähnliche temperaturabhängige makroskopische Absorptionseigenschaften aufweisen, während sich die Eigenschaften auf molekularer Ebene, wie der Hydratisierungsgrad oder die intermolekulare Polymerkettenaggregation, bei diesen Polymeren sehr unterschiedlich. Diese Arbeit zeigt damit anhand zweier sehr etablierter thermoresponsiver Polymere, nämlich pNIPAm und pOEGMA, das die chemische Struktur entscheidend für den Einsatz dieser Polymere in fluoreszenzbasierten Sensoren ist. Diese Ergebnisse haben große Bedeutung für die gezielte Entwicklung von Polymermaterialien für fluoreszenzbasierte Assays.

Zugl.: Freiburg (Breisgau), University, Diss., 2005.

University, Diss., 2004--Potsdam.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Etablierung einer neuen Methode zur Durchführung von Diffusionsmessungen innerhalb weniger Nanometer dicker Polyelektrolytmultischichten. An das Polykation PAH wurde der Fluorophor NBD gekoppelt. PAH-NBD kann im Rahmen des Beschichtungsprozesses an verschiedene Positionen des auf kolloidalen Teilchen adsorbierten PAH/PSS-Multifilms lokalisiert werden. Nach Dithionitzugabe wird die Fluoreszenz durch die ablaufende Reduktionsreaktion zwischen NBD und Dithionit gelöscht. Die Abnahme der Fluoreszenzintensität wird flowzytometrisch detektiert. Die Auswertung der Daten erfolgte auf der Grundlage verschiedener theoretischer Näherungslösungen für Subdiffusion, gekoppelt mit der Reaktionskinetik der Fluoreszenzlöschung. Die Ergebnisse sind nicht mit normaler Diffusion innerhalb der Schichten vereinbar. Vielmehr ergibt sich eine stark subdiffusive Transportcharakteristik des Dithionits innerhalb des Polyelektrolytmultifilms. Als Ursachen hierfür werden die Wechselwirkungen der Dithionitmoleküle mit den PAH-Molekülen sowie die unterschiedlichen Zugänglichkeiten der NBD-Moleküle für die diffundierenden Dithionitmoleküle durch ständige Konformationsänderungen der PAH-Moleküle angesehen. Hervorzuheben ist, dass erstmalig eine Technik etabliert wurde, mit welcher Diffusionsmessungen auf nanoskopischer Skala innerhalb von Polyelektrolytmultischichten durchgeführt werden können. Die subdiffusive Kinetik ist im Vergleich zu normaler Diffusion stark verzögert und ermöglicht dadurch einen länger anhaltenden Stofftransport, was für die Anwendung der Polyelektrolytmultischichten als Medikamententräger besonders vorteilhaft ist. Es wurde gezeigt, dass die Ladung der obersten Schicht des Polyelektrolytmultifilms einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und die Struktur der Polyelektrolytmatrix, und das ebenfalls in tieferen Bereichen der Polyelektrolytmultischicht, hat.