Musterbericht II

Bericht Forschungslabor I WS 03/04
Sonja Neuhaus
Herr Laurent Feuz, Doktorand an der Professur für Oberflächentechnik in Schlieren, hat mir im Rahmen
des Forschungslabor I Einblicke in den Forschungsalltag vermittelt. Nach Erarbeitung der theoretischen
Grundlagen konnte ich im Labor einige praktische Arbeiten durchführen.
1. Session
Beim Sichten der Homepages der verschiedenen Forschungsgruppen des D-MATL habe ich einen
kurzen Einblick in die laufende Forschung am Departement erhalten. Anhand von anschaulichen
Grafiken erklärte mir Laurent Feuz ausserdem, wie wichtig Grössenordnungen im Alltag eines
Materialwissenschaftlers sind.
Im Labor lernte ich einige Methoden und Instrumente der Oberflächentechnik kennen:
Ellipsometrie (ELM)
Optische Messmethode zur Bestimmung der Dicke und der optischen Eigenschaften dünner, zumindest
teilweise transparenter Schichten und Schichtfolgen. Linear polarisiertes Licht wird unter einem
Einfallswinkel auf die Probe gestrahlt, und das reflektierte (elliptisch polarisierte) Licht wird in
Abhängigkeit von dessen Wellenlänge analysiert. [1] Beim Gerät in diesem Labor handelt es sich im
speziellen um ein spektrales Ellipsometer, welches mehrere Wellenlängen gleichzeitig analysieren
kann. Aus technischen Gründen wird deshalb elliptisch polarisiertes Licht auf die Probe gestrahlt und
die Polarisationsänderung nach der Reflektion bestimmt. Diese Messungen erlauben Aussagen über
die optischen Parameter und Schichtdicke einer Substanz. Das Messverfahren verfügt über eine hohe
Auflösung und ist sehr schnell.
Quarz Crystal Microbalance (QCM)
Mit dieser mechanischen Methode kann in situ die adsorbierte Masse und das viskoelastische Verhalten
von Schichten untersucht werden. Dazu wird eine Schicht auf einen Quarzkristall aufgebracht. Dieser
wird von einem angelegten elektrischen Wechselstrom zum Schwingen gebracht. Die Schwingfrequenz
ändert sich im Vergleich zum blanken Quarz umso stärker, je grösser die adsorbierte Masse ist. Es gilt
die Sauerbrey Gleichung (evtl. angepasst), die besagt, dass die Frequenzänderung proportional zur
Massenänderung ist. Es werden jeweils verschiedene Obertöne gemessen, deren Frequenzen dann
noch entsprechend normiert werden müssen.
Contact Angle (CA)
Mit dieser Methode wird das Verhalten von Wasser auf Oberflächen untersucht. Der Grad der
Hydrophilizität resp. Hydrophobizität kann ermittelt werden. Ist der Kontaktwinkel stumpf, so handelt es
sich um eine eher hydrophile Oberfläche; ist er spitz, so ist die Oberfläche eher hydrophob.
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mit dem Atomkraftmikroskop können in Luft oder in situ die Topographie und die Oberflächenkräfte
einer Probe bestimmt werden. Die Oberfläche wird von einer Sonde abgetastet, die durch
Piezoaktuatoren gesteuert wird und immer den gleichen Abstand zur Oberfläche einhält. Die Kraft, die

enötigt wird, um sie in diesem Abstand zu halten, wird aufgezeichnet und lässt Rückschlüsse über die
Oberfläche zu. [2]
X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
Diese Methode wird verwendet, um Aussagen über die chemische Oberflächenzusammensetzung zu
machen. Es wird die kinetische Energie der durch Elektronen ausgelösten Photoelektronen gemessen.
Aus der Lage der Maxima im Energiespektrum der aus der Oberfläche herausfliegenden Elektronen
erhält man Informationen über die dort vorhandenen Atomarten. Ihre Energie entspricht im
Wesentlichen den für die Atomarten charakteristischen Elektronenübergängen. Die Messung der Anzahl
der zugehörigen Photoelektronen liefert die Atomkonzentration. [3]
Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy (OWLS)
Diese optische Messmethode wird in situ durchgeführt und erlaubt Aussagen über die adsorbierte
Masse und den Brechungsindex.
Theorie zum Thema der Doktorarbeit von L.Feuz:
Die Adsorption von Proteinen auf synthetischen Materialien ist ein wichtiger Faktor in der Antwort des
menschlichen Körpers auf implantierte Materialien. Die unkontrollierte Proteinadsorption kann
beträchtlichen Schaden anrichten; z.B. dann, wenn dadurch ein Blutgefäss verstopft wird. Ein Ziel ist
darum, Materialien herzustellen, die mit dem Körper sehr gut verträglich sind und Proteine an der
Adsorption hindern.
Mehrere Forscher an der Professur für Oberflächentechnik beschäftigen sich mit einem
vielversprechenden Ansatz.
Poly(L-lysine)-g-poly(ethylene glycol) (vgl. Fig.1), kurz PLL-g-PEG, ist ein positiv geladenes Polymer,
das spontane Adsorption aus wässriger Lösung auf negativ geladene Oberflächen (z.B. Nb2O5) zeigt.
Das Polymer bildet eine Schicht mit dicht gepackten PEG-Ketten, die rechtwinklig zur Oberfläche
stehen. [4] PLL-g-PEG modifizierte Oberflächen sind in hohem Mass proteinresistent. Es wird nun
untersucht, wie die Architektur des Polymers (Molekulargewicht der PEG-Ketten, grafting ratio) die
Resistenz beeinflusst (vgl. Fig.2). [5]
Figure 1: A metal oxide surface modified by PLL-g-PEG or its derivatives [4]

Figure 2: Various architectures of the graft co-polymer of poly(L-lysine) and poly(ethylene
glycol)[5]
2.Session
Versuch: Einfluss der Ionenstärke auf die Adsorption von PLL-g-PEG
Der Idealfall wäre, dass das positiv geladene Rückgrat von PLL-g-PEG regelmässig und flach auf der
Oxidoberfläche zu liegen kommt. Je nach Architektur des Polymers kann es aber auch zu
unkontrollierten Verknäuelungen und „unsauberer“ Adsorption kommen. Durch Variation des
Salzgehalts der PLL-g-PEG Lösung versucht man, möglichst gute Ergebnisse zu erzielen.
Hoher Salzgehalt: Man vermutet, dass sich negative Ladungen ans Rückgrat von PLL-g-PEG heften. Es
kommt zu einer Verknäuelung.
Tiefer Salzgehalt: Auf dem Rückgrat befinden sich nur positive Ladungen, die sich gegenseitig
abstossen. Das Polymer wird dadurch gestreckt.
Bei diesem Versuch wurde die Adsorption von PLL-g-PEG mit unterschiedlichen Architekturen in
Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt auf Nioboxidflächen untersucht.
Variationsmöglichkeiten von PLL-g-PEG:
Länge Rückgrat (PLL): Molekulargewichte von 20-350 kDa
Grafting ratio: zwischen 2 und 20
Länge PEG-Ketten : Molekulargewicht 1kDa, 2 kDa oder 5 kDa.
Im Versuch verwendeten wir PLL(350)-[3.2]-PEG(2) und PLL(350)-[5]-PEG(5).
Lösungen: Hepes Pufferlösung, pH 7.4 mit drei verschiedenen NaCl Konzentrationen.
H0: 1mM Hepes
H1: 10mM Hepes
H2: 10 mM Hepes + 150mM NaCl (physiologisch)
Es wurden je drei Proben pro Kombination hergestellt, insgesamt also 18.
Vorgehen
1. Vorbereiten der Lösungen
2. Substrate reinigen. Substrat: Si, mit natürlicher SiO2 Schicht (2.5nm), darüber Nioboxidschicht
von 12nm Dicke. 10 Minuten im Ultraschallbad reinigen. Danach zwei Minuten in O2-Plasma
reinigen.
3. Bestimmung der Oxidschichtdicke mit ELM
4. Adsorption des Polymers während 30 Minuten.

5. Spülen mit H2O, trocknen mit Stickstoff. Arbeit in der Laminar Flow Box und mit Handschuhen,
um Verschmutzung der Proben zu verhindern.
6. Messung der Schichtdicke mit ELM
Bei der Auswertung der Proben liess sich leider kein Trend feststellen (vgl. Fig.3).
ELM layer thickness ex situ [nm]
2.8
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
350-3.2-2 (10-4)
350-5-5 (12.3)
350-3.2-2 (last year)
350-5-5 (last year)
1 10
salt concentration [mM]
100
Figure 3: Polymerschichtdicken in Abhängigkeit von der Salzkonzentration
3.Session
Versuch: Mit der QCM Methode soll die Masse des adsorbierten Polymers bestimmt werden. Eventuell
können auch Aussagen über Wassereinschlüsse zwischen den PEG-Ketten gemacht werden.
Die Masse kann aus der Frequenzänderung gemäss der Gleichung von Sauerbrey berechnet werden.
Verwendetes Polymer: PLL(20)-[3.5]-PEG(5)
Vorgehen:
1. Polymerlösung herstellen: 1mg Polymer pro ml Hepes 1
2. QCM: Hepes 1 Lösung als Referenz messen. Warten, bis sich das Gerät stabilisiert hat.
3. Adsorption des Polymers auf den Quarzkristall während 30 Minuten
4. Messung mit QCM
5. Spülen mit Hepes 2 (160mM): Desorbieren von schwach gebundenen Molekülen
6. Messung
7. Spülen mit Hepes 1, erneute Messung
Die erhaltenen Daten ergaben keinen Sinn.
Es gibt verschiedene Gründe, die zum Misserfolg einer QCM Messung führen können. Zum einen muss
sehr genau darauf geachtet werden, dass sich beim Einspritzen der Lösung keine Luftblasen bilden, da
dies die Messung verfälschen kann. Dieses Problem stellte sich während des Versuchs immer wieder,
und es wurde noch keine Möglichkeit zur Elimination der Luftblasen gefunden. Nach Erschütterungen
und ähnlichem muss die Messung neu gestartet werden, da sonst eventuell falsche Bezugswerte
übernommen werden. Während der Messung wurde oft gespült und mit Luft getrocknet; auch dies
könnte einen Einfluss auf die Resultate haben.
Der Verlauf der Frequenzänderung sollte eigentlich ähnlich wie in Fig. 4 aussehen.

Δ frequency [Hz]
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
QCM: PLL(20)-[3.5]-PEG(5)
added poylmer
rinsed H2 rinsed H1 dried chamber
Δ f 3 /3
Δ f 5 /5
Δ f 7 /7
0 20 40
Time [min]
60 80 100
Figure 4: Beispiel für eine Messung mit der QCM Methode. Nach der Polymeradsorption wurde mit
H2, dann mit H1 gespült. Der 3., 5. und 7. Oberton wurden gemessen.
Gesamteindruck
Das Forschungslabor I hat bei mir einen durchwegs positiven Eindruck hinterlassen. Ich wurde von
Laurent Feuz optimal betreut und konnte spannende Geräte und Theorien kennenlernen. Auch die
praktische Arbeit im Labor war für mich eine Bereicherung.
Einsicht
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Laurent Feuz Prof. M. Textor
Quellen:
[1] Brockhaus der Naturwissenschaften: „Ellipsometrie“ . Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, Mannheim;
Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003.
[2] Brockhaus der Naturwissenschaften: „Rastermikroskope“ . Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, Mannheim;
Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003
[3] Brockhaus der Naturwissenschaften: „Auger-Elektronenspektroskopie“ . Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG,
Mannheim; Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, 2003
[4] Polyionic PEG-Grafted Polymers on Metal Oxide Surfaces for Docking of Functional Biomolecules to Surfaces of
Biomaterials and Biosensors. www.surface.mat.ethz.ch/research/biointerfaces/surface_modification/polyionic (10.12.2003)
[5] PLL-g-PEG as a model protein-resistant coating: mechanical properties and the role of bound water.
http://www.surface.mat.ethz.ch/research/biointerfaces/surface_modification/poly_l_lysine_g_poly_ethylene_glycol
(10.12.2003)