Having conducted the research described in this thesis I found that there exists a possibility to produce polyelectrolyte nanostructures on hydrophobic surfaces by application of the moving contact line approach. It was demonstrated that the morphology of nanostructures displays a range of structure variations from root-like to a single wire structure with a high anisotropy and aspect ratio (providing diameters of several nanometers and the length limited by the sample surface dimensions). Such nanostructures can be produced exactly on the spot of interest or can be transferred from the surface where they were produced to any other surfaces by the contact printing technique. A model describing the polymer deposition during the moving contact line processes on hydrophobic surfaces has been proposed. The application of this model provides the ground for an explanation of all the obtained experimental data. Utilizing moving contact line approach aligned one-dimensional polycation structures were fabricated and these structures were used as templates for assembling amphiphile molecules. Quasiperiodic aligned and oriented nanostructures of polyelectrolyte molecules formed in moving droplets were utilized for fabrication of electrically conductive one-dimensional nanowires.

Polyelectrolyte complexation is a rapidly growing field with applications in functional multilayer (PEM) and nanoparticle (PEC) generation, where PEM films are deposited using Layer-by-Layer technique initiated by Decher and PECs are prepared using mixing-centrifugation technique initiated by our group. Its advantages (e.g. easy preparation) result in various applications in aqueous solution, especially in pharmaceutical and biomedical fields. Therefore, the objectives in this study are to explore interesting applications of polyelectrolyte complexation in the field of low molecular chiral compound and high molecular protein binding. Due to the rapidly growing demands for preparing optically pure compounds in the pharmaceutical field, herein, enantiospecific PEM and PEC were prepared using chiral polyelectrolytes (e.g. homo-polypeptide) and their ability of chiral recognition was investigated by ATR-FTIR, UV/Vis etc.. Chiral PEM and PEC showed pronounced enantiospecificity for both small (amino acids, vitamin) and large (protein) chiral compounds. This chiral recognition is performed by a diffusion process of chiral compounds into PEM based on the structures of chiral selector (PEM, PEC) and chiral probes (chiral compounds). However, the influences, e.g. pH value, ionic strength, surface orientation etc., were found to affect significantly the enantiospecificity. Beside planar substrates, porous membranes (e.g. PTFE) were modified using chiral PEM and successfully applied in enantiospecific permeation. Additionally, protein binding properties of PEC particle dispersions or PEC particle films were also studied. Due to the properties of polyelectrolytes used for PEC (e.g. molecular weight, charge density) and proteins (e.g. isoelectric point, size, hydrophobicity), PEC showed different uptake characteristics towards different proteins. Electrostatic and hydrophobic interaction as well as counterion release force were considered as possible driving forces for protein binding.

Polyelektrolytmikrokapseln (PEMC) stellen ein neuartiges System künstlicher Zellen dar. Durch Einbringen von z.B. Hämoglobin in solche PEMC können sie als  künstliche Erythrozyten den Gastransport im Organismus unterstützen bzw. übernehmen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass jede Zelle des Säugtierorganismus zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion Enzyme benötigt, die ihre Stoffwechselfunktionen katalysieren. Um sich der Lösung dieses Problems bei der Entwicklung eines künstlichen Erythrozyten schrittweise zu nähern, wurde als Modellenzym Trypsin ausgewählt. Es wurden Polyelektrolytmikrokapseln (PEMC) auf der Basis von Erythrozyten durch Selbstassemblierung von Polynatriumstyrensuphonat (PSS) und Polyallylamino-hydrochlorid (PAH) hergestellt ((PSS/PAH)2PSS), und anschliessend nach der Layer-by-Layer Methode (LbL) alternierend mit Trypsin und den Polyelektrolyten (PE) PSS, Alginat oder Dextransulphat weiterbeschichtet. Der Schichtenaufbau wurde durch Zellelektrophorese, konfokale Laserscanning-mikroskopie (CLSM), Durchflusszytometrie (FACS) und photometrische Proteinbestimmung charakterisiert und quantifiziert. Die Aktivität des an der PEMC-Membran immobilisierten Enzyms wurde untersucht und mit der Aktivität freien Trypsins verglichen. Weiterhin wurden pH-Profile von freiem Enzym mit denen des immobilisierten Trypsins verglichen. Der Schichtaufbau aus Trypsin und den unterschiedlichen Polyelektrolyten wurde anhand der Änderung der elektrophoretischen Mobilität beim Aufbringen jeder Schicht, sowie durch die Zunahme der photometrisch bestimmten Proteinmenge pro PEMC charakterisiert. Außerdem wurde Trypsin mit Fluoreszeinisothiozyanat (FITC) markiert und in den Beschichtungsserien die Zunahme der flowzytometrisch bestimmten Fluoreszenz-Intensität mit jeder aufgebrachten FITC-Trypsin Schicht beobachtet. Die Aktivität des an den PEMC immobilisierten Trypsins beträgt etwa 30% der Aktivität freien Trypsins gleicher Konzentration. Es konnte gezeigt werden, dass sich Trypsin im Rahmen eines Schichtaufbaus nach der LbL-Technologie in die Membran der verwendeten PEMC einbringen lässt. Dabei behält das Enzym einen Teil seiner Funktion. / Artificial cells are not only used to study the biological processes of living cells, they also serve as micro reactors to provide certain functions in the organism. Polyelectrolyte microcapsules (PEMC) represent a new approach to artificial cell studies. When filled with hemoglobin, PEMC are able to perform the erythrocyte gas exchange. This work shows the general possibility of integrating enzymes into the PEMC membrane. PEMC were composed using the layer-by-layer (l-b-l) technique. Glutaraldehyde stabilized human red blood cells (RBC) served as templates and were coated with five layers poly(styrene sulfonate) (PSS) and poly(allylaminehydrochloride) (PAH). After decomposition of the RBC by sodium hypochlorite, the PEMC were coated with ten layer pairs of trypsin and either PSS or alginate. The trypsin layer growth was followed performing measurements by cell electrophoresis, confocal laser scanning microscopy (CLSM), flow cytometry (FACS) and protein determination according to Lowry after each adsorption step. Results showed a continuous layer buildup for both polyelectrolytes and no desorption of trypsin. The amount of immobilized enzyme was larger for the coating series with trypsin/PSS compared to that with trypsin/alginat. This was concluded as a result of PSS/trypsin complex formation. Normalizing the enzym activity to the amount of adsorbed trypsin no significant differences between the activity of PSS-PEMC and alginate-PEMC were found. Further experiments prove that PSS inhibits the enzyme activity and alginat does not.

Die Arbeit untersucht den Einfluss des pH - Wertes auf die Fluoreszenzintensität von Multischichtsystemen während des Beschichtungsvorgangs von Siliziumdioxidpartikeln mit kovalent an Polyallylaminhydrochlorid (PAH) gebundenem Rhodamin - B - Isothiocyanat. Durch eine konsequente Pufferung mit 2 -(N - Morpholino)ethansulfonsäure während der Beschichtung kann eine Verbesserung der Homogenität der Schichtbildung und eine Erhöhung der Fluoreszenzintensität erreicht werden. Außerdem liegt eine lineare Steigerung der Fluoreszenzintensität proportional zur Anzahl der fluoreszenten Schichten vor. Weiterhin sollen kolloidale Partikel unter konstanter Pufferung zusätzlich zu Rhodamin – B – Isothiocyanat mit an PAH – gebundenem Fluoresceinisothiocyanat beschichtet werden. Dieses Farbstoffpaar weist bei Annäherung eine Fluoreszenzsteigerung durch einen Fluoreszenzresonanzenergietransfer aus. Durch Variation von Schichtanzahl und Abstand wurden verschiedene Partikelpopulationen hergestellt, die sich in Ihrer Fluoreszenzintensität analog zu einem Bead Array Assay im Durchflusszytometer klar differenzieren lassen und dabei auch eine gleichmäßige Steigerung der Fluoreszenzintensität analog zur Anzahl der fluoreszenten Schichten aufweisen.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

Oily wastewater produced from petroleum and petrochemical refining processes is one of the gravest environmental threats. Oil waste ending up in sewers and dumps each year is equal to 25 times the amount of crude oil spilled in the Exxon Valdez accident (1989). Oil/Water separation covers a broad spectrum of industrial process operations. There are many techniques employed depending on each situation. The byproduct of water recovery from oily wastewater is a sludge rich in oil, surfactants and particles (oily sludge). The oily sludge still contains significant amounts of waters, which need to be recovered prior to its disposal. The use of polyelectrolytes for the flocculation of the emulsified oil and its separation from the aqueous phase is usually one of the steps of the wastewater as well as oily sludge treatment process. The efficiency of polyelectrolytes as floculants is quite often evaluated via trial and error and the appropriate polymer is selected according to the case. Even in scientific investigations it is rather common to use industrial oily sludge samples. The industrial oily sludge is characterized and treated by polyelectrolytes. Nevertheless industrial oily sludge is quite complicated and variable to be approximated by a model. For the systematic study of polyelectrolytes efficiency a stable, realistic and well-defined oily sludge model is necessary. In the present work an oily sludge model was successfully developed and characterized. The model consists on water, oil (kerosene), surfactant (sodium dodecyl sulphate, SDS) and clay particles (Blauton). The emulsifying efficiency of the surfactant and the clay were studied independently. The interactions between the surfactant and the clay including adsorption of the former on the later and cation exchange reactions were investigated. The four components were finally combined to form a series of emulsions varying the relative amounts of the emulsifiers for the highest stability to be encountered. Having concluded on the composition of the oily sludge model the efficiency of various polyelectrolytes was evaluated. Commercial natural (chitosans), synthetic (PolyDADMACs) polyelectrolytes and oilbreaks as well as lab-scale semi-synthetic polymers (modified chitosans) were tested. The flocculation efficiency was determined based on the amount and quality of water that was recovered as well as on the floc stability, size and sedimentation speed. The recovered water was characterized according to the environmental protection agency (EPA). The analysis included measurements on: total organic carbon (TOC), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD5), total suspended solids (TSS) and pH. Selection of the appropriate flocculant also depends on the type of flocs formed in combination to the treatment following the flocculation. When filtration or centrifugation is used as a post-flocculation process the appropriate polymers are those that form large and porous flocs, as the case of the modified chitosans AG95 and AG97. Clarification devices on the other hand require dense flocs as these produced by the use of PolyDADMACs, commercial chitosans, oilbreaks and modified chitosans GA35, GA41 and AG79. Regarding the water quality, some of the polymers used that have low values of COD, TOC and BOD5, may not need the secondary treatment (biological) prior to discharge, such as P187K (PolyDADMAC) and GA41 (modified chitosan). The others require a biological treatment for the regulation limits to be reached. The pH values of modified chitosans (except of AG97), lab-scale PolyDADMACs and an oilbreak (OCAA) are all in range of the regulation limits. The applicability of biopolymers as flocculants for oil sludge dewatering is a relatively new field of investigation. As a consequence of the growing demand for environmentally friendly technologies as well as renewable resources the interest on natural flocculants has increased. The aminopolysaccharide chitosan and its modified derivatives have outstanding properties such as biocompability, biodegradability, hydrophilicity, adsorption, flocculating ability and antibacterial properties. These natural polymers derived from the sea-food industry waste products would be very useful as residue oil adsorbents in any oily wastewater and can be among the most promising candidates as a replacement of the synthetic flocculants. / Ölhaltiges Abwasser, das bei Erdöl- und petrolchemischen Raffinierungsprozessen entsteht, ist eine der größten Umweltgefahren. Dieses Altöl landet jedes Jahr in der Kanalisation und in Deponien. Es handelt sich dabei um die 25-fache Menge an Rohöl, die beim Unfall der Exxon Valdez (1989) ausgeflossen ist. Die Öl/Wasser-Trennung überspannt ein breites Spektrum industrieller Prozesse. Es gibt viele Techniken, die abhängig von jeder Situation eingesetzt werden. Das Nebenprodukt bei der Abtrennung von Wasser aus ölhaltigen Abwässern ist ein Schlamm (Ölschlamm), der reich an Öl, Tensiden und Partikeln ist. Der Ölschlamm enthält noch bedeutende Mengen an Wasser, die vor ihrer Entsorgung verwertet werden müssen. Die Verwendung von Polyelektrolyten zur Ausflockung des emulgierten Öls und seine Trennung von der wässrigen Phase ist in der Regel einer der Schritte zur Behandlung von Abwässern sowie ölhaltigen Schlämmen. Die Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel wird ganz häufig über Versuch und Fehler bewertet, und das passende Polymer wird entsprechend dem jeweiligen Fall ausgewählt. Sogar in wissenschaftlichen Untersuchungen ist es eher üblich, industrielle Ölschlamm-Proben zu verwenden. Der industrielle Ölschlamm wird charakterisiert und mit Polyelektrolyten behandelt. Dennoch ist der industrielle Ölschlamm ziemlich kompliziert und variabel und muss durch ein Modell angenähert werden. Für die systematische Untersuchung der Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel ist ein stabiles, realistisches und klar definiertes Ölschlamm-Modell notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ölschlamm-Modell erfolgreich entwickelt und charakterisiert. Das Modell besteht aus Wasser, Öl (Kerosin), Tensid (Natriumdodecylsulfat, SDS) und Tonteilchen (Blauton). Die Emulgiereffizienz des Tensids und des Tons wurden unabhängig voneinander untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und dem Ton, die sowohl die Adsorption des Ersteren auf dem Letzteren einschließen als auch einen Kationenaustausch, wurden untersucht. Die vier Komponenten des Ölschlamm-Modells wurden schließlich kombiniert und es wurde eine Reihe von Emulsionen hergestellt, bei denen die relativen Mengen der Emulsionsmittel verändert wurden, um eine möglichst hohe Stabilität zu erreichen. Nachdem ein geeignetes Ölschlamm-Modell zur Verfügung stand, wurde die Effizienz der verschiedenen Polyelektrolyte als Flockungsmittel bewertet. Kommerzielle natürliche (Chitosane), synthetische (PolyDADMACs) Polyelektrolyte und Oilbreaks sowie Labor-semi-synthetische Polymere (modifizierte Chitosane) wurden getestet. Die Flockungseffizienz wurde sowohl basierend auf der Menge und Qualität des Wassers, das zurückgewonnen wurde, als auch bezogen auf die Flockenstabilität, die Flockengröße und die Sedimentationsgeschwindigkeit bestimmt. Das zurückgewonnene Wasser wurde entsprechend der Vorschriften der Behörde für Umweltschutz (EPA) charakterisiert. Die Analysen enthielten die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), des chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB5), des Gesamtgehalts an suspendierten Partikeln (TSS) und die Bestimmung des pH. Die Auswahl geeigneter Flockungsmittel hängt auch von der Art der gebildeten Flocken, in Kombination mit der Behandlung, die den Flockungsprozess folgt, ab. Wenn als Postflockungsprozess Filtration oder Zentrifugation folgen, sollten Polymere verwendet werden, die große und poröse Flöckchen bilden, wie im Fall der modifizierten Chitosane AG95 und AG97. Andererseits verlangen Geräte zur Klärung von Abwässern dichte Flocken, wie solche, die beim Einsatz von PolyDADMACs, kommerziellen Chitosanen, Oilbreaks und den modifizierten Chitosanen GA35, GA41 und AG79 entstehen. In Bezug auf die Wasserqualität erhält man mit einigen der verwendeten Polymere so niedrige Werte von CSB, TOC und BSB5, dass wie im Falle von P187K (PolyDADMAC) und GA41 (modifiziertes Chitosan) keine biologische Sekundärbehandlung notwendig ist. Im Falle der anderen Polymere ist eine biologische Behandlung nötig, um die vorgeschriebenen Grenzen zu erreichen. Die pH-Werte der modifizierten Chitosane (außer der AG97), der im Labor hergestellten PolyDADMACs und des Oilbreak OCAA sind alle in Bereich der vorgeschriebenen Grenzen. Die Anwendbarkeit von Biopolymeren als Flockungsmittel für die Ölschlammentwässerung ist ein relativ neuer Forschungsbereich. Als Folge der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien sowie erneuerbarer Ressourcen hat das Interesse an natürlichen Flockungsmitteln zugenommen. Das Aminopolysaccharidchitosan und dessen modifizierte Produkte haben hervorragende Eigenschaften wie Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit, Hydrophilie, Adsorption, die Fähigkeit zur Flockung und antibakterielle Eigenschaften. Diese natürlichen Polymere, die aus Meeresfrüchte-Industrieabfallprodukten gewonnen werden, sollten als Restöl-Adsorbentien bei der Aufarbeitung jedes ölhaltigen Abwassers sehr nützlich sein und können zu den vielversprechendsten Kandidaten als Ersatz der synthetischen Flockungsmittel werden.

Die Modifizierung von Carbon Black Partikeln und multi-walled Carbon Nanotubes mit Poly(vinylformamid-co-vinylamin) wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert untersucht, um primäre Aminogruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffspezies einzuführen. Mit einer anschließenden Pfropfreaktion der Aminogruppen tragenden Nanotubes mit Maleinsäureanhydrid-Copolymeren sind eine Vereinzelung und ein Stabilisieren der der Carbon Nanotubes möglich. Durch eine Auswahl an Maleinsäureanhydrid-Copolymeren war nach einer Funktionalisierung der mit PVFA-co-PVAm beschichteten Carbon Nanotubes die Änderung der Oberflächeneigenschatften von hydrophil bis hin zu ultrahydrophob möglich. Die Charakterisierung der Partikel und Nanotubes erfolgte mit Hilfe der Elementaranalyse, BET-Untersuchungen, XPS, Kontaktwinkelmessungen, TGA-Untersuchungen, elektrokinetischer Messungen und REM-Aufnahmen.

Polyelektrolyte (PEs) bilden eine große Klasse von Materialien, die in der wissenschaftlichen Forschung immer mehr Beachtung findet. Aufgrund der Lange-Bereich Elektrostatic ist das theoretische Verständnis von PE-Lösungen im Vergleich zu ihren neutralen Gegenstücken noch relativ schlecht gewesen, dadurch die Rationalisierung der Gegenionskondensation auf hochgeladenen PEs herausfordern. Die Komplexität des Problems wird noch zusätzlich durch die gleichzeitige Anwesenheit monovalenter und divalenter Gegenionen in der Lösung, was vielen biologische Umgebungen entspricht, erhöht. Dies beeinflusst die PE-Protein Komplexierungen, damit ihren Funktionen und Anwendungen in der Biomedizin und Biotechnologie. In dieser Arbeit führen wir eine umfassende Analyse der Ladungs- und Hydratationsstruktur von dendritischen PEs in einem monovalenten Salz unter Verwendung von atomistischen Molekulardynamik (MD) Computersimulationen mit explizitem Wasser durch. Darüber hinaus untersuchen der kompetitiven Adsorption der monovalenten und divalenten Gegenionen am globulären PE mit Hilfe theoretischer Mean-Field-Modelle, vergröberter und atomistischer (expliziter) Wasser-Simulationen und Kalorimetrie-Experimenten. Wir befassen uns mit der Herausforderung, eine genau definierte effektive Ladung und ein Oberflächenpotential der PEs für praktische Anwendungen zu finden, und präsentieren ein neuartiges kompetitives Ionenbindungsmodell, das einen aussagekräftigen Vergleich zwischen Theorie, Simulationen und Experimenten gewährleistet. Diese Arbeit stellt eine systematische elektrostatischen Beschreibung von PE vor, untersucht die thermodynamische PE-Wasser Signatur und analysiert die kompetitiven Bindung von monovalenten und divalenten Gegenionen an PEs. Es wird ein tieferer Einblick in die physikochemischen Aspekte von PE-Gegenionen- und PE-Wasser-Wechselwirkungen erhalten, was für das rationale Design von PEs auf einer gezielten Anwendungsbasis von entscheidender Bedeutung ist. / Polyelectrolytes (PEs) represent a broad class of materials that are getting an increasing attention in the scientific community. However, due to the long-range electrostatics, the theoretical understanding of PE solutions has been relatively poor compared to their neutral counterparts, thereby challenging the rationalization of the counterion condensation on highly charged PEs. Moreover, the counter-intuitive footprint of PE-water thermodynamics, and the simultaneous presence of the divalent and the monovalent counterions in the solution, as is reminiscent of many biological environments, escalates the complexity and richness of the problem. This affects the PE-proteins complexations, and thus their functions, applications in biomedicine and biotechnology. In this thesis, we conduct a comprehensive analysis of the charge and hydration structure of dendritic PEs in a monovalent salt using all-atom explicit-water molecular dynamics computer simulations, and investigate a competitive sorption of mono- versus divalent ions on globular PEs using mean-field theoretical models, all-atom and coarse-grained simulations and calorimetry experiments. We address the challenges of obtaining a well-defined effective charge and surface potential of the PE for practical applications and present a novel competitive ion binding model, ensuring a meaningful comparison between theory, simulations and experiments. This thesis lays out a systematic PE electrostatic characterization, explores PE-water thermodynamics, and analyses the competitive binding of divalent and monovalent counterions on the PE. A deeper insight into the physicochemical aspects of PE-counterion and PE-water interactions is achieved, which is vital towards the rational design of PEs on a targeted application basis.

Die Arbeit untersucht den Einfluss des pH - Wertes auf die Fluoreszenzintensität von Multischichtsystemen während des Beschichtungsvorgangs von Siliziumdioxidpartikeln mit kovalent an Polyallylaminhydrochlorid (PAH) gebundenem Rhodamin - B - Isothiocyanat. Durch eine konsequente Pufferung mit 2 -(N - Morpholino)ethansulfonsäure während der Beschichtung kann eine Verbesserung der Homogenität der Schichtbildung und eine Erhöhung der Fluoreszenzintensität erreicht werden. Außerdem liegt eine lineare Steigerung der Fluoreszenzintensität proportional zur Anzahl der fluoreszenten Schichten vor. Weiterhin sollen kolloidale Partikel unter konstanter Pufferung zusätzlich zu Rhodamin – B – Isothiocyanat mit an PAH – gebundenem Fluoresceinisothiocyanat beschichtet werden. Dieses Farbstoffpaar weist bei Annäherung eine Fluoreszenzsteigerung durch einen Fluoreszenzresonanzenergietransfer aus. Durch Variation von Schichtanzahl und Abstand wurden verschiedene Partikelpopulationen hergestellt, die sich in Ihrer Fluoreszenzintensität analog zu einem Bead Array Assay im Durchflusszytometer klar differenzieren lassen und dabei auch eine gleichmäßige Steigerung der Fluoreszenzintensität analog zur Anzahl der fluoreszenten Schichten aufweisen.