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Antifoulingkonzepte für Sensoren für das Wassermonitoring durch sterisch optimierte Tetraetherlipid-Coatings PTKA-WTE Treten zwei Oberflächen, umgeben von wässrigen Medien, in einen geringen Abstand zueinander, so wird die Grenzflächenenergie zusätzlich von Hydrationseffekten bestimmt. Ihr Ursprung liegt in der Wasserstruktur, gegeben durch den Polarisationseffekt des Wassermoleküls. Hydrationseffekte, die nicht primär elektrostatisch interpretierbar sind, basieren auf der Vernetzung von Wassermolekülen. Hier spricht man von Protonen- bzw. von Säure-Base-Wechselwirkungen [van Oss, C., J. Mol. Recognition, 2003, p. 177-190]. Zusammengefasst können diese Effekte in der Oberflächenspannung und deren dispersiven und polaren Anteilen dargestellt werden. Im Ergebnis führt die Kopplung des Polyethylenglykols an das Lipid zu einer Zunahme der Oberflächenpolarität bei vergleichbarem dispersiven Anteil. Allein die Kopplung der Mannose und der Boronsäure zeigt geringere Oberflächenspannungen aufgrund der geringeren polaren Anteile. Analysiert man den Parameter Polarität bezogen auf die Gesamtoberflächenspannung, so zeigt sich, das die Modifikationen mit Chitosan und PLL PEG 5000 die höchsten Werte um 47% erreichen. 60 OWRK - Oberflächenspannung 50 d p 40 [mN/m] 30 20 10 0 TL GDNT TL PLLPEG 750 TL PLLPEG 3000 TL PLLPEG 5000 TL PLL PEG 20 TL PLL PEG 30 TL PLL PEG 40 TL Hyaluronsäure TL Ectoin TL Chitosan TL Mannose TL Boronsäure Abb. 21: Oberflächenenergien, polare- und dispersive Anteile der modifizierten Lipidschichten Zusätzlich wurden mit Hilfe der Strömungspotenzialmethode die elektrokinetischen Potenziale an den funktionalisierten Oberflächen ermittelt. Erwartungsgemäß führt die Ankopplung des Polylysin (PLL) aufgrund der freien Aminogruppen zu positiveren Oberflächenladungen bzw. zur Nivellierung des negativen Potenzials. Dieser Effekt wird bei vollständigerer Kopplung des PEG reduziert. Die Kopplung der Funktionsmoleküle führt zumeist ebenfalls zu negativen Oberflächen mit Ausnahme der Probe TL Chitosan, welche ein geringeres bzw. positiveres Potenzial aufweist. – <strong>Abschlussbericht</strong> – Seite 36 von 95
Antifoulingkonzepte für Sensoren für das Wassermonitoring durch sterisch optimierte Tetraetherlipid-Coatings PTKA-WTE Zetapotenzial bei pH-Wert 7 0 GDNT TL iba TL PLL PEG 750 TL PLL PEG 3000 TL PLL PEG 5000 TL PLL PEG 20 TL PLL PEG 30 TL PLL PEG 40 TL Hyaluron TL Ectoin TL Chitosan TL Mannose TL Boronsäure -10 -20 [mV] -30 -40 -50 -60 -70 Abb. 22: Elektrokinetische Potenziale der modifizierten Lipidschichten In der Zusammenfassung der physikochemischen Charakterisierung kristallisieren sich zwei Schichtsysteme aufgrund ihrer Oberflächenparameter heraus: das Polyethylenglykol 5000 gebunden über PLL als Spacer und die Modifikation TL Chitosan. Sie zeigen eine hohe Mobilität der Schicht, einen relativ hohen polaren Charakter bei geringen Zetapotenzialen. Die geringen Abriss- bzw. Haftkräfte, ermittelt mit Hilfe der kolloidalen Kraftspektroskopie, bestätigen die besonderen Eigenschaften dieser Schichtsysteme aus oberflächenanalytischer Sicht. 6.3.3 Topografische Charakterisierung iba Die Rasterkraftmikroskopie diente der Bewertung der Homogenität der Tetraetherlipidschicht. Zudem wurde dieses Verfahren zur Analyse der Oberflächenstruktur nach der Funktionalisierung der Lipide eingesetzt. Hier kam das Nanowizard-Messsystem der Fa. jpk-instruments Berlin zur Anwendung (Tapping-Mode unter Luft). Es wurden Detailaufnahmen ausgewertet, welche einen Bildausschnitt von 1 µm x 1 µm wiedergeben. Der Rautiefenparameter bezieht sich dabei auf die gescannte Fläche. Insgesamt wird die mögliche Beschichtung im nanoscaligen Maßstab verdeutlicht. Sowohl die Lipidierung als auch die nachträgliche Funktionalisierung z.B. mit Polyethylenglykol führen zu keiner drastischen Zunahme der Rautiefe. B33, Ra = 0,169 nm B33 TL, Ra = 0,671 nm B33 TL PEG, Ra = 0,325 nm Abb. 23: AFM-Topografie-Aufnahmen lipidierter Glassubstrate – <strong>Abschlussbericht</strong> – Seite 37 von 95
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