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Aufkonversions-Nanokristalle (UCNC) zeichnen sich als einzigartige Lumineszenzreporter aus, die Nah-infrarotes Anregungslicht in Photonen höherer Energie umwandeln. Für die gezielte Anpassung von Eigenschaften, bedarf es ein tiefes Verständnis der Prozesse der Aufwärtskonversionslumineszenz (UCL) und deren Abhängigkeit von Material und Partikeldesign. Diese Doktorarbeit untersucht die UCL-Prozesse von Yb3+,Er3+ dotierten SrF2-UCNC und zielt darauf ab, die UCL-Eigenschaften der bisher unterschätzten kubischen Wirtsgitter zu verstehen und zu steigern. Hierbei wird die fluorolytische Sol-Gel-Synthese als neuartige Syntheseroute für UCNC vorgestellt. Vorteile wie ausgezeichnete Reproduzierbarkeit, viele Freiheitsgrade bei der Temperaturbehandlung und Partikelgestaltung werden anhand von SrF2 UCNC demonstriert. Die UCNC wurden mittels UCL-Spektren, UCL-Quantenausbeuten, leistungsdichte-abhängiger relativer spektraler Verteilung sowie der Lumineszenzabklingkinetiken unter Einbeziehung kristalliner Eigenschaften wie der Kristallphase, der Kristallitgröße, der Gitterparameter und der Teilchengröße untersucht. Die Abhängigkeit der UCL-Eigenschaften von der Dotierungsmenge wurde mit einer umfassenden Dotierungsreihe beschrieben und der optimale Dotierungsbereich (Yb3+,Er3+) von kleinen, ungeschalten SrF2-UCNC eingegrenzt. Bei der Studie dotierter Kerne mit passivierenden Schalen wurde der Einfluss von Temperaturbehandlung auf die UCL-Mechanismen und die Kern-Schale-Vermischung untersucht. Anhand von unterschiedlich kalzinierten UCNC Pulvern wurde die Empfindlichkeit der UCL gegenüber der Änderung kristalliner Eigenschaften, wie Kristallphase, Kristallinität, und Kristallitgröße betrachtet. Zusammen liefern die Dotierungs-, die Kern-Schale- und die Kalzinierungsstudie wertvolle Einblicke in das gitterspezifische Verhalten der UCL-Eigenschaften als Funktion der Energiemigration und der Kristalleigenschaften. Upconversion nanocrystals (UCNC) represent a unique type of luminescence reporters that convert near-infrared excitation light into higher energy photons. Tailoring UCNC with specific luminescence properties requires an in-depth understanding of upconversion luminescence (UCL) processes and their dependence on material and particle design. This Ph.D. thesis focuses on the UCL processes of Yb3+,Er3+ doped SrF2-UCNC and aims to understand and enhance the UCL properties of the previously underestimated cubic host lattices. Herein, fluorolytic sol-gel synthesis is introduced as a novel synthetic route for UCNC. Advantages such as excellent reproducibility, high flexibility in temperature treatment and particle design are demonstrated using SrF2 UCNC. The UCNC were characterized by UCL spectra, UCL quantum yields, excitation power density-dependent relative spectral distribution, and luminescence decay kinetics involving crystalline properties such as crystal phase, crystallite size, lattice parameters, and particle size. The dependence of UCL properties on doping amount was described in a comprehensive doping study, and the optimal doping range (Yb3+,Er3+) of small, unshelled SrF2-UCNC was identified. In a core-shell study of doped core UCNC with passivating shells, the influence of temperature treatment on UCL mechanisms and core-shell mixing was investigated. Further, using different calcined UCNC powders, the sensitivity of UCL to the change of crystalline properties, such as crystal phase, crystallinity, and crystallite size, was assessed. Together, the doping, core-shell, and calcination studies provide valuable insight into the lattice-specific behavior of UCL properties as a function of energy migration and crystal properties.

Review: The Role of Nanoparticles in Inhibiting the Growth of the Plasmodium Parasite Causing Malarial Disease Malaria is a health problem in Indonesia with the most cases in eastern parts of Indonesia. This study provides an overview of the potential of nanoparticles in inhibiting malaria vectors and the growth of Plasmodium parasites that causes malaria based on the latest literature as reference materials and future research ideas. Nanoparticle can be synthesized using three methods i.e. physical, chemical and biological synthesis. The use of nanoparticles with biological method is highly recommended because they are practicable, environmentally friendly, non-toxic, and easy to reproduce compared to physico-chemically synthesized nanoparticles. Nanoparticles synthesized from several plants can inhibit the growth of Plasmodium parasites with IC50 3–78 g mL–1. This activity is classified as high to moderate in inhibiting the growth of the Plasmodium parasite that causes malaria. The mechanism of inhibition of Plasmodium growth is by increasing the pH of food vacuole due to the reaction of nanoparticles with Ferriprotoporphyrin IX. The high pH in the food vacuole will interfere with metabolic activity by inhibiting the activity of aspartate and cysteine ??protease enzymes so that the parasites will die. Malaria merupakan masalah kesehatan yang dihadapi Indonesia khususnya di beberapa wilayah timur Indonesia. Kajian ini memberikan gambaran potensi nanopartikel dalam menghambat vektor malaria maupun pertumbuhan parasit Plasmodium penyebab malaria berdasarkan literatur terbaru sebagai bahan acuan maupun ide-ide penelitian di masa mendatang. Nanopartikel dapat disintesis menggunakan tiga metode yaitu fisika, kimia dan biologi. Penggunaan nanopartikel dengan metode biologi sangat direkomendasikan karena lebih mudah diterapkan, ramah lingkungan, bersifat non-toksik, dan mudah diperbanyak dibandingkan dengan nanopartikel yang disintensis dari fisiko-kimia. Nanopartikel yang disintesis dari beberapa tanaman dapat menghambat pertumbuhan parasit Plasmodium dengan IC50 3–78 g mL–1. Aktivitas ini tergolong tinggi hingga sedang dalam menghambat pertumbuhan parasit Plasmodium penyebab malaria. Mekanisme penghambatan pertumbuhan Plasmodium dengan cara meningkatkan pH vakuola makanan akibat reaksi nanopartikel dengan feriprotoporpirin IX. Tingginya pH pada vakuola makanan akan mengganggu aktivitas metabolisme dengan cara menghambat aktivitas enzim aspartat dan sistein protease sehingga parasit akan mati.

Ansamitocine sind antiproliferative Sekundärmetaboliten aus Actinosynnema pretiosum. Sie bestehen aus einem Polyketid Makrolactam mit AHBA als Starteinheit der Biosynthese. Unter Verwendung von DAHBA-Mutanten wurde mithilfe der Mutasynthese bereits eine große Vielfalt biologisch aktiver Ansamitocin-Derivate erzeugt. Kürzlich wurde eine weitere Mutante von A. pretiosum beschrieben, der sowohl die Gene für die AHBA-Synthese als auch die Gene für die Post-Polyketid-Modifikation fehlen. Dieser Stamm, AH1 genannt, produziert nach Fütterung mit verschiedenen Aminobenzoesäuren Proansamitocin-Derivate, wenn auch in geringerer Ausbeute als bei der ursprünglichen DAHBA-Ausgangsmutante. Besonders interessant waren die Funde eines Makrolacton-Proansamitocin-Derivats nach Fütterung mit einer Hydroxymethylbenzoesäure. Im ersten Teil dieser Studie wurde das Substratspektrum des Stammes AH1 untersucht und neue Proansamitocin-Derivate charakterisiert. Es wurden Studien zur Verbesserung der Kulturbedingungen für diesen neuen Stamm durchgeführt. Ziel dieser Studie war die Isolierung großer Mengen des Makrolacton-Proansamitocin-Derivats durch eine 25-Liter- Fermentation unter Verwendung des BIOSTAT®CultiBag RM-Reaktors. Jedoch konnte das gewünschte Makrolacton unter diesen Bedingungen nicht isoliert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein neues SPION-Antibiotika-Konjugat synthetisiert, bei dem das Antibiotikum über einen thermosensitiven Linker an das SPION gebunden ist. Die Verwendung von SPIONs zur thermoselektiven Freisetzung nach induktiver Erwärmung ist ein vielversprechendes Werkzeug für neuartige Arzneimittelsysteme. Ein neuer thermosensitiver Linker für die Freisetzung von Carbonsäuren wurde entwickelt und getestet. Dieser Linker zeigte eine schnelle Freisetzung von Nalidixinsäure bei 95 °C in weniger als 30 min, während bei 37 °C über mehrere Stunden keine signifikante Freisetzung beobachtet wurde. Anschließend wurde Nalidixinsäure über diesen Linker mit MagSilica® SPIONs verknüpft, und es wurde eine Freisetzung bei induktiver Erwärmung beobachtet.

Hydrogen is a significant component for the realization of radical decarbonization and reduction of emission for the coupled sectors of energy generation and storage, transportation, housing, and industry. In particular, the so-called “green” hydrogen is produced from renewable energies at zero-emission. By this process, the electrical energy from wind, solar or hydro power is chemically stored in form of hydrogen that can be converted to hydrocarbons such as methane or directly used in the application sectors. In direct use, the hydrogen fuel cell is an essential technology and is vitally important in the transportation sector. The extensive application of hydrogen fuel cells is limited by three factors: high costs due to the usage of platinum group metal (PGM) as catalyst material, insufficient performance during operation, and low durability in long-term usage. Hence, this doctoral thesis aims at the development, characterization and testing of catalysts for the cathode side of the fuel cell and the oxygen reduction reaction (ORR). Close attention is paid to an optimized usage of the deployed noble metals improved performance and enhanced durability. A typical ORR catalyst consists of two components, in particular catalytically active PGM-based nanoparticles and an electrical conducting support material. Two approaches are selected in this work to optimize electrochemical properties of the catalysts. One approach deals with the further synthesis development of catalytically active nanoparticles by improved particle deposition in a fluidized bed reactor for better PGM utilization, a “green” seed-mediated synthesis route for the production of octahedrally shaped platinum nanoparticle with high ORR activity and high electrochemical active surface area, as well as molybdenum and rhodium doping of octahedrally shaped platinum-nickel nanoparticles for the improvement of ORR activity and durability. The other approach deals with investigation of the performance and durability of N-doped carbon supports and ruthenium- and titanium-based oxide supports. The catalysts are intensively studied regarding their physicochemical properties among others in terms of morphology, composition and structure, and their ORR activity and durability using the rotating disk electrode. Main focus of this work is the use of advanced (quasi-)in situ, operando and on-line methods for time-resolved and potential-depending investigation of the evolution of their properties. The electrochemical measurements are in parts completed by single cell membrane electrode investigations. This doctoral thesis is a contribution for the investigation of that three limiting factors (costs, performance, durability) towards an extensive application of hydrogen fuel cells. The fundamental results support the development of improved fuel cell cathode materials., Wasserstoff ist ein wichtiger Bestandteil für die Realisierung einer radikalen Dekarbonisierung und Emissionsreduktion in den gekoppelten Sektoren Energieerzeugung und -speicherung, Transport, Gebäuden und Industrie. Insbesondere sogenannter „grüner“ Wasserstoff wird aus erneuerbaren Energien mit Nullemission gewonnen. In diesem Prozess wird die elektrische Energie aus Wind-, Sonnen oder Wasserkraft chemisch in Form von Wasserstoff gespeichert und kann zu Kohlenwasserstoffen wie Methan umgesetzt werden oder direkt in den Anwendungssektoren eingesetzt werden. Bei der direkten Verwendung ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine essenzielle Technologie und besonders im Transportsektor von Bedeutung. Die flächendeckende Verwendung der Wasserstoff-Brennstoffzelle ist durch drei Faktoren limitiert: hohe Kosten unter anderem durch die Verwendung von Platingruppemetallen (PGM) als Katalysatormaterial, unzureichende Leistung im Betrieb und geringe Haltbarkeit in der Langzeitnutzung. Diese Doktorarbeit beschäftigt daher mit der Entwicklung, Charakterisierung und Testung von Katalysatoren für die Kathodenseite der Brennstoffzelle und der Sauerstoffreduktionsreaktion (engl. oxygen reduction reaction (ORR)). Das besondere Augenmerk liegt dabei auf einer optimierten Ausnutzung der eingesetzten Edelmetalle, verbesserter Leistung und gesteigerter Haltbarkeit. Ein typischer ORR-Katalysator besteht aus zwei Komponenten, und zwar aus katalytisch aktiven, PGM-basierten Nanopartikeln und einem elektrisch leitendem Trägermaterial. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Ansätze gewählt, um die elektrochemischen Eigenschaften der Katalysatoren zu optimieren. Einerseits wurde die Herstellung der katalytisch aktiven Nanopartikeln weiterentwickelt über eine verbesserte Partikeldeposition mittels Wirbelschicht zur Verbesserung der PGM-Nutzung, eine „grüne“, durch Kristallisationskeime initialisierte Syntheseroute zur Herstellung von oktaedrisch geformten Platinnanopartikel mit hoher ORR-Aktivität und hoher elektrochemisch aktiver Oberfläche, sowie die Dotierung von oktaedrischen Platin-Nickel-Nanopartikeln mit Molybdän und Rhodium zur Verbesserung von ORR-Aktivität und -Stabilität. Andererseits wurden die Leistung und Haltbarkeit von Trägermaterialeien untersucht anhand von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffträgern und Ruthenium- und Titan-basierten oxidischen Trägermaterialien. Die Katalysatoren wurden intensive in ihren physikochemischen Eigenschaften wie u.a. Morphologie, Komposition und Struktur charakterisiert und mittels rotierender Scheibenelektrode bezüglich ihrer ORR-Aktivität und Stabilität untersucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Einsatz von fortschrittlichen (quasi-)in situ, operando und on-line Methoden, die die zeitaufgelöste und potentialabhängige Veränderung ihrer Eigenschaften möglich machen. Die elektrochemischen Untersuchungen werden zum Teil mit Membran-Elektroden-Einheit in Einzelzellmessungen komplementiert. Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Untersuchung jener drei limitierenden Faktoren (Kosten, Performance und Haltbarkeit) für die flächendeckende Verwendung von Wasserstoffbrennstoffzellen. Diese fundamentalen Ergebnisse unterstützen bei der Weiterentwicklung von verbesserten Brennstoffzellen-Kathodenmaterialien.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von generativ, mittels Tintenstrahl-drucker gefertigten Leiterbahnen. Im Anschluss werden diese einer thermischen Sinterung unterzogen, um die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen. Mit Hilfe diverser Analysemethoden - Lichtmikroskop, Profilometer zur Messung der Schichtdicke, Messung des elektrischen Widerstandes, Atomic Force Microscope (AFM) und der Messung der Oberflächenrauheit - werden die Veränderungen der Proben vor und nach der Sinterung ermittelt und anschließend diskutiert. Der erste Abschnitt dieser Arbeit beginnt mit einer Einführung in der die Ausgangslage, der Stand der Technik, die Forschungsfragen und die Anforderungen dargelegt werden. Des Weiteren wird der Kontext der Arbeit, der Neuigkeitswert und die Bedeutung, die Ergebnisse und die Rahmenbedingungen genannt. Der folgende Abschnitt behandelt sämtliche theoretische Grundlagen, die für das Verständnis der Arbeit erforderlich sind. Dazu zählen die Verfahren zum digitalen Druck von Leiterbahnen, die thermische Sinterung der Leiterbahnen zur Erreichung einer definierten elektrischen Leitfähigkeit, die Funktionsweise eines Atomic Force Microscopes, die Vier-Punkt Widerstandsmessung und abschließend die Methodik zur Messung der Schichtdicke der gedruckten Proben. Im nächsten Hauptkapitel werden die verwendenden (Mess-) Geräte und Tintenwerkstoffe vorgestellt. Dabei liegt bei den Messinstrumenten der Fokus vor allem auf einer Thematisierung der jeweiligen Bedienung bzw. Messdatenauswertung. Danach folgt die Dokumentation der Versuchsdurchführung. Dabei wird zu Beginn eine Übersicht der durchgeführten Analysemethoden je Probe gezeigt. Im Anschluss daran werden sämtliche durchgeführte Untersuchungen dargelegt und die Messergebnisse detailliert beschrieben. Abschließend werden die Messergebnisse aus den Bereichen Flächenrauheit, Widerstandsmessung und den Untersuchungen mittels des AFM diskutiert und die dadurch gewonnen Erkenntnisse dargelegt. Es stellt sich heraus, dass die Flächenrauheit mit steigender Sintertemperatur deutlich stärker schwankt, woraus sich ableiten lässt, dass die Oberfläche einer physikalischen Veränderung, hervorgerufen durch die Sinterung, unterworfen ist. Als zentrale Erkenntnis zeigt sich, dass der elektrische Widerstand mit steigender Sintertemperatur deutlich abnimmt. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einem Ausblick und Möglichkeiten zur Erweiterung dieser Abschlussarbeit. Die Masterarbeit wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes („Digitalisierung durch gedruckte Elektronik“), welches durch die MA23 gefördert wird, durchgeführt. This work deals with the investigation of generative, inkjet-printed conductor paths. These are then thermally sintered to produce the desired electrical conductivity. Using various analysis methods - optical microscope, profilometer for measuring the layer thickness, measurement of electrical resistance, atomic force microscope (AFM) and measurement of surface roughness - the changes in the samples before and after sintering are determined and then discussed. In the first section, this thesis provides an introduction, in which the initial situation, the state of the art, the research questions and the requirements, are stated. Furthermore, the context of the work, the newness value and the importance, the results and the framework conditions, are mentioned. The following section covers all theoretical basics necessary for understanding the work. This includes the procedures for digital printing of conductive tracks, thermal sintering of the conductive tracks - to achieve a defined electrical conductivity, the operation of an Atomic Force Microscope, the four-point resistance measurement and finally the methodology for measuring the layer thickness of the printed samples. In the next main chapter, the (measuring) devices and ink materials used are presented. In the case of the measuring instruments, the focus is primarily on discussing their operation and the evaluation of measurement data. This is followed by the documentation of the test procedure. At the beginning, an overview of the analysis methods carried out is shown for each sample. Subsequently, all the tests performed are presented and the measurement results are described in detail. Finally, the results of the surface roughness measurements, the resistivity measurements and the AFM investigations are discussed, and the findings are presented. It turns out that the surface roughness fluctuates significantly more with increasing sintering temperature, from which it can be concluded that the surface is undergoing a physical modification due to the sintering process. The main result is that the electrical resistance decreases significantly with increasing sintering temperature. The work is concluded with an outlook and possibilities for extending this master thesis. The master thesis was carried out as part of a research project ("Digitization through Printed Electronics") funded by MA23. Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Masterarbeit Wien, FH Campus Wien 2022

The synthesis of transition metal oxynitrides is complicated by extreme reaction conditions such as high temperatures and/or high pressures. Here, we show an unprecedented solution-based synthesis of narrowly dispersed titanium oxynitride nanoparticles of cubic shape and average size of 65 nm. Their synthesis is performed by using titanium tetrafluoride and lithium nitride as precursors alongside trioctylphosphine oxide (TOPO) and cetrimonium bromide (CTAB) as stabilizers at temperatures as low as 250 °C. The obtained nanoparticles are characterized in terms of their shape and optical properties, as well as their crystalline rock-salt structure, as confirmed by XRD and HRTEM analysis. We also determine the composition and nitrogen content of the synthesized particles using XPS and EELS. Finally, we investigate the applicability of our titanium oxynitride nanoparticles by compounding them into carbon fiber electrodes to showcase their applicability in energy storage devices. Electrodes with titanium oxynitride nanoparticles exhibit increased capacity compared to the pure carbon material, publishedVersion

Mechanistic exposé: Starting from Mn–MOF precursor, heterostructured α-MnS/MnO with S-doped carbonaceous frameworks (α-MnS/MnO/SCPF) achieves impressive electrochemical performance for Li-ion batteries due to its unique structural and compositional advantage. The lithium storage mechanism of α-MnS/MnO/SCPF is revealed by means of in situ XRD and two different metals as current collectors. In this work, the synthesis of α-MnS/MnO/S-doped C micro-rod composites via a simple sulfidation process is demonstrated, starting from a Mn-based metal-organic framework. The resulting heterostructured α-MnS/MnO nanoparticles (8±2 nm) are uniformly embedded into the S-doped carbonaceous porous framework with hierarchical micro-/meso-porosity. The combination of structural and compositional characteristics results in the promising electrochemical performance of the as-obtained composites as anode materials for lithium-ion batteries, coupled with high reversible capacity (940 mAh g−1 at 0.1 A g−1), excellent rate capability as well as long cycling lifespan at high rate of 2.0 A g−1 for 2000 cycles with the eventual capacity of ∼300 mAh g−1. Importantly, in situ X-ray diffraction studies clearly reveal mechanistic details of the lithium storage mechanism, involving multistep conversion processes upon initial lithiation., publishedVersion

Gefördert im Rahmen des Projekts DEAL

Core-shell materials are promising functional materials for fundamental research and industrial application, as their properties can be adapted for specific applications. In particular, particles featuring iron or iron oxide as core material are relevant since they combine magnetic and catalytic properties. The addition of an SiO2 shell around the core particles introduces additional design aspects, such as a pore structure and surface functionalization. Herein, we describe the synthesis and application of iron-based core-shell nanoparticles for two different fields of research that is heterogeneous catalysis and water purification. The iron-based core shell materials were characterized by transmission electron microscopy, as well as N2-physisorption, X-ray diffraction, and vibrating-sample magnetometer measurements in order to correlate their properties with the performance in the target applications. Investigations of these materials in CO2 hydrogenation and water purification show their versatility and applicability in different fields of research and application, after suitable individual functionalization of the core-shell precursor. For design and application of magnetically separable particles, the SiO2 shell is surface-functionalized with an ionic liquid in order to bind water pollutants selectively. The core requires no functionalization, as it provides suitable magnetic properties in the as-made state. For catalytic application in synthesis gas reactions, the SiO2-stabilized core nanoparticles are reductively functionalized to provide the catalytically active metallic iron sites. Therefore, Fe@SiO2 core-shell nanostructures are shown to provide platform materials for various fields of application, after a specific functionalization., publishedVersion

Despite resembling ‘true’ fungi in terms of morphological features, oo­mycetes form a distinct eukaryotic lineage of filamentous microorganisms that belongs to the stramenopiles, a group of protists also comprising the closely-related brown algae and diatoms. Many oomycetes are devastating pathogens of plants and animals, globally causing significant economic los­ses in the agriculture and aquaculture industries, and posing considerable environmental damage to natural ecosystems. Although the cell wall (CW) is critical for the viability and morphogenesis of the organism it surrounds, our knowledge of oomycete CW architecture and biosynthetic enzymes is limited. Given the vast threat that pathogenic oomycetes pose, uncovering the details of CW biosynthesis and regulation in these pathogens may re­veal new opportunities for disease control. To this end, we aimed to elucidate the role of putative membrane-bound glycosyltransferase family 2 enzymes implicated in the biosynthesis of oo­mycete CW polysaccharides. Suitable gene candidates were identified, and their products analysed, as illustrated by the oomycete-wide discovery and phylogenetic analysis of the chitin synthase gene family (paper I), and the identification of the cellulose synthase genes in Saprolegnia parasitica (paper II) and Phytophthora capsici (paper III). Expression of promi­sing candidate genes was verified using different techniques, including gene expression analysis (papers II and III), and the effect of inhibitors on hyphal growth (papers I and II) and enzymatic activity in in vitro assays (paper II). Single enzymes representing putative chitin synthases from various organisms (unpublished data) and cellulose synthases from S. parasitica (extended data for paper II), and P. capsici cellulose syn­thase 1 (paper III) were produced, and partly enriched or even purified, in yeast strains specifically engineered to facilitate the biochemical characterisation of the recombinant proteins in in vitro enzyme assays. To advance functional investigations and structure determination of integral membrane proteins, we developed DirectMX, a method that allows the re­constitution of target proteins with their surrounding lipids directly from crude cell membranes into Salipro nanoparticles (paper IV). Trots sina morfologiska likheter med ”äkta” svampar, tillhör oomyceterna en separat eukaryotisk utvecklingslinje av filamentösa mikroorganismer som ingår i gruppen stramenopiler. Stramenopiler beskriver ett fylum av protister som även omfattar de nära besläktade brun- och kiselalgerna. Många oomyceter infekterar växter och djur med förödande konsekvenser och stora ekonomiska förluster för land- och vattenbruk globalt. Infek­tionerna orsakade av oomyceter resulterar även i stora miljöskador på naturliga ekosystem. Trots att cellväggen påverkar organismens viabilitet och morfogenes, är vår kunskap av oomyceternas cellväggsarkitektur och biosyntetiska enzymer begränsad. Med tanke på det hot som patogena oomyceter utgör, kan avsjöjanden av detajlerna kring cellväggens bio­syntes och reglering i dessa patogener medföra förbättrade möjligheter för smittskyddet. Därför ville vi klarlägga rollen av förmodade, membranbundna glyco­syltransferas familj 2-enzymer, som antas vara inblandade i biosyntesen av oomyceternas cellväggspolysackarider. Lämpliga genkandidater identi­fierades och deras genprodukter analyserades, vilket illustreras av den fylogenetiska analysen av kitinsyntas-genfamiljen (artikel I), och identi­fiering av cellulosasyntasgener i Saprolegnia parasitica (artikel II) och Phytophthora capsici (artikel III). Uttryck av lovande kandidatgener verifierades med hjälp av olika tekniker, bland andra genuttrycksanalys (artikel II och III), påverkan av inhibitorer på hyfernas tillväxt (artikel I och II) och enzymaktivitet i in vitro analyser (artikel II). Enskilda, för­modade kitinsyntaser från olika organismer (opublicerade data) och cellu­losasyntaser från S. parasitica (utökad data för artikel II), samt P. capsici cellulosasyntas 1 (artikel III), producerades, delvis i anrikad och även renad form, i speciellt framtagna jäststammar som tillåter en biokemisk karakterisering av de rekombinanta proteinerna i in vitro enzymanalyser. För att främja funktionsstudier och strukturbestämningar av integrala membranproteiner utvecklade vi DirectMX (artikel IV). DirectMX är en metod som möjliggör rekonstitution av målproteiner tillsammans med omgivande lipider från orenade cellmembraner i Salipro nanopartiklar. QC 2021-10-22

Iron oxide nanoparticles have been used in preclinical studies to label stem cells for non‐invasive tracking and homing. The search continues for novel particle candidates that are suitable for clinical applications. Since standard analyses to investigate cell-particle interactions and safety are labor‐intensive, an efficient procedure is required to guide future particle development and to exclude adverse health effects. The application of combined Raman trapping microscopy with fluidic chips is reported for the analysis of single cells labeled with different types of aminated iron oxide particles. Multivariate data analysis revealed Raman signal differences that could be clearly assigned to cell-particle interactions and cytotoxicity, respectively. A validation dataset verified that more than 95 % of the spectra were correctly classified. Thus, our approach enables rapid discrimination of non‐hazardous from cytotoxic nanoparticles as a prerequisite for safe clinical applications.

The radionuclides radium-223 and radium-224 are two alpha-emitting radionuclides with suitable properties for the TAT. To this date, radium-223 in form of [223Ra]radium chloride (Xofigo) is the only EMA and FDA approved alpha-emitting radiopharmaceutical. Due to its calcimimetic behavior, the radium ion is a bone-seeking therapeutic. To extend the radiopharmaceutical potential of both radionuclides, novel carrier systems have to be developed. Therefore, it is appropriate to investigate different kinds of nanoparticles for their ability to transport radium. Especially, a barium sulfate matrix seems to be sufficient since the principle of co-precipitating the sulfates of radium and barium allows an easy and fast synthesis of radium-doped nanoparticles. Beyond the incorporation of alpha-emitting radionuclides like radium-223 and radium-224, the homologue radionuclide barium-131 can be incorporated as well. Barium 131 decays by electron capture and provides suitable properties for diagnostic applications in nuclear medicine. Radium-223/-224 and barium-131 form a matched pair for new theragnostic approaches. In our research group, we are developing simple methods for the synthesis of small radiolabeled radium/barium sulfate nanoparticles. Furthermore, we are investigating suitable surface functionalizations to attach biological targeting moieties.

Single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS) is a method that allows to obtain size, size distribution, and particle number concentration of nanoparticles (NPs) in suspensions only after few minutes of measurement. However, several challenges of commercially available SP-ICP-MS instruments currently exist that limit the analytical performance of the method. This thesis reports novel developments and improvements of SP-ICP-MS with the ultimate goal to be able to use it as a routine NP analysis method in the future. First, the state-of-the-art in SP-ICP-MS is reviewed on a step-by-step basis, from the sample introduction system to the detector. Applications of the method for the analysis of nanomaterials are critically discussed and current challenges are highlighted. Necessary improvements and directions for further developments are identified. Second, capillary electrophoresis (CE) is coupled to SP-ICP-MS and used for the first time with a data aquistion system (DAQ) that provides microsecond time resolution (5 µs dwell time, µsDAQ) for the separation and characterization of mixtures of Ag NPs. An online preconcentration approach is implemented to decrease the detection limits to the sub-microgram-per-liter range. In addition, it is demonstrated for the first time that the optimized CE-SP-ICP-MS method can be successfully used to separate NPs with similar sizes but different surface coatings. Each component in a complex mixture of 20 nm, 40 nm, 60 nm sized citrate-coated and 40 nm, 60 nm sized PVP-coated Ag NPs can be distinguished. Finally, a novel data processing algorithm for SP-ICP-MS with the µsDAQ is developed to extract NP signals from a continuous background signal. The method is based on Poisson statistics and allows to distinguish and quantify both NPs and dissolved elements. It is demonstrated that Ag NPs (20 nm – 100 nm) can be identified on a particle-by-particle level even in the presence of a significant concentration of ionic background (Ag+ up to 7.5 µg L-1, 107Ag+ up to 1 000 000 counts per second). Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma im Einzelpartikel-Modus (SP-ICP-MS) ist eine Methode, mit der sich die Größe, die Größenverteilung und die Partikelkonzentration von Nanopartikeln (NP) in Suspensionen innerhalb von wenigen Minuten bestimmen lassen. Obwohl die SP-ICP-MS kommerziell erhältlich ist, gibt es zahlreiche Herausforderungen, die die analytischen Leistungskenndaten und die Anwendbarkeit der Methode für die Nanomaterialanalytik beschränken. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von neuen Ansätzen in der SP-ICP-MS, um diese in der Zukunft noch besser als Analysemethode für die Nanomaterialanalytik einsetzen zu können. Zunächst wird der Stand der Technik auf dem Gebiet der SP-ICP-MS schrittweise vom Probeneinführungssystem bis zum Detektor kritisch diskutiert. Wichtige Anwendungen werden rezensiert und notwendige methodische und apparative Verbesserungen werden identifiziert. Im Ergebnisteil der Arbeit wird eine neuartige Methode vorgestellt, die auf der Kopplung von Kapillarelektrophorese (CE) mit SP-ICP-MS beruht, mit einem kontinuierlichen Datenerfassungsystem mit Mikrosekundenzeitauflösung (5 µs Integrationszeit) arbeitet und erfolgreich für die Charakterisierung von Ag NP eingesetzt wird. Ebenso wird eine Methode zur Online-Aufkonzentration implementiert, um die Nachweisgrenzen zu verbessern (µg L-1 – Bereich). Schließlich wird die CE-SP-ICP-MS zur Trennung von NP mit ähnlichen Größen, jedoch unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen verwendet. Jede Komponente in einer komplexen Mischung, welche 20 nm, 40 nm und 60 nm große Citrat-beschichtete Ag NP, sowie 40 nm und 60 nm große PVP-beschichtete Ag NP enthielt, kann unterschieden werden. Zum Schluss wird ein Datenverarbeitungsalgorithmus für die SP-ICP-MS mit µsDAQ vorgestellt. Die entwickelte Methode basiert auf der Poisson-Statistik und ermöglicht die Unterscheidung und Quantifizierung von NP und gelösten Elementen. Das Verfahren ermöglicht den Nachweis von Ag NP (von 20 nm bis 100 nm) in Anwesenheit einer signifikanten Konzentration an ionischem Hintergrund (Ag+ bis zu 7.5 µg L-1, 107Ag+ bis zu 1 000 000 Anzahl von Impulsen pro Sekunde).

Das Thema dieser Arbeit umfasst die Quantifizierung von Schalendicken von KernSchale-Nanopartikeln (core-shell nanoparticles, CSNP) unter der Verwendung von Elektronenstrahltechniken, im speziellen der R��ntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS). F��r diesen Zweck wurden XPS-Experimente in einem Ringversuch mit Partnerinstituten durchgef��hrt. Die Ergebnisse und die daraus resultierenden Peakintensit��ten wurden ausgewertet, sowie verglichen. Diese Resultate zeigten sehr gute ��bereinstimmung ��ber alle beteiligten Laboratorien. Um ein tieferes Verst��ndnis ��ber die untersuchten CSNP zu erhalten, wurden zus��tzlich erg��nzende Experimente mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgef��hrt. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse zeigte eine Reihe von Asymmetrien in den zu untersuchenden Proben. Diese Besonderheiten haben merkbare Auswirkung auf simulierte XPS-Spektren, verglichen mit Spektren von idealen Kern-Schale-Nanopartikeln. SESSA (Simulation of Electron Spectra for Surface Analysis), eine Datenbank entwickelt mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) verwendet die quasielastische N��herung (quasi-elastic approximation, QEA) f��r die XPS-Spektrenberechnung. Jedoch vernachl��ssigt diese N��herung die Energieabh��ngigkeit der elastischen und inelastischen Sto��vorg��nge von Elektronen, was nur in einem sehr kleinen Energiebereich g��ltig ist. Zus��tzlich wurde als Teil dieser Arbeit eine physikalisch realistischere Monte-Carlo Simulationsmethode getestet und in SESSA implementiert. Mit dieser neu implementierten true slowing-down (SDN) Methode wurde die aktuell verwendete QEA-Methode verfeinert und erweitert. Diese physikalisch realistischere N��herungen (QEA+ und QEA*) wurden mit der bestehenden Methode verglichen. Diese Bem��hungen wurden get��tigt, um den Signaluntergrund von R��ntgenphotoelektronenspektren pr��ziser zu simulieren und infolgedessen jenes Untergrundsignal als weiteres analytisches Werkzeug zur Dimensionsbestimmung von Kern-Schale-Nanopartikeln und weiteren komplexen Probenmorphologien zu verwenden. Dar��ber hinaus wurden als Teil des 14IND12 Innanopart Projektes, welches vom europ��ischem Metrologieprogramm f��r Innovation und Forschung (European Metrology Programme for Innovation and Research - EMPIR) finanziert wird, XPS Simulationen von Einzelkugelund Pulvergeometrien mit a-zentrischen Kernen und Poren durchgef��hrt, welche die gefundenen Besonderheiten nachbilden um deren Einfluss auf die Schalendickenbestimmung abzusch��tzen., The subject of this thesis is the quantification of shell thicknesses of core-shell nanoparticles (CSNP) by means of electron beam techniques, in particular X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). For that purpose round robin XPS experiments with associated institutes were performed. The resulting XPS peak intensities were evaluated and compared, with a very good agreement over all involved laboratories. To get a better understanding of the investigated CSNP additional and complementary transmission electron microscopy (TEM) experiments were performed. A comparison of the experimental results shows a variety of asymmetries in the investigated sample which have a noticeable impact on simulated spectra with ideal geometry CSNP. SESSA (Simulation of Electron Spectra for Surface Analysis), a database developed with the National Institute of Standards and Technology (NIST) utilizes the efficient quasielastic approximation (QEA) for the spectra calculations. However this approximation disregards the energy dependency of the elastic and inelastic scattering events which is only valid in a small energy domain. A physically more realistic Monte Carlo simulation method was tested and implemented into SESSA. With the help of this newly implemented true slowing-down (SDN) method the currently used QEA could be refined and a physical more realistic approximation could be implemented. These more realistic approximations (QEA+ and QEA*) were compared to the present methods and successfully tested. This effort was made to simulate the background of an X-ray photoelectric spectrum more precisely and therefore be able to use it as an additional analytical tool for dimensional measurements of core-shell nanoparticles and other complex sample morphologies. Finally, as part of the 14IND12 Innanopart project funded by the European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR) simulations of acentric cores and pores in powders and single sphere geometries were performed, which model the observed features to estimate the impact on the shell thickness determination.

In last decades, the study of the interaction between inorganic nanoparticles and phospholipid mem-branes gained more attention as it may enable new attractive application possibilities in nanomedicine. In this context vesicles composed of phospholipid membranes serve as a model for biological mem-branes. Furthermore, the interaction with more or less soft nanoparticles has a great relevance, as the parameter softness will modulate the adsorption affinity towards membranes. Therefore, we studied the interaction of soft and hard nanoparticles with lipid membranes. The former was synthesized by means of surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP). The soft properties arise from having a surface grafted polymer brush. Polyelectrolytes such as cationic poly-dimethylaminoethyl-methacry-late (PDMAEMA) and poly-methacrylicacid (PMAA) were used as they enhance the colloidal stability in solution due to electrostatic repulsion. As they are polyelectrolytes the charge density can be tuned by the solution pH. Furthermore, we can control the amount of grafted polymer via the synthetic proce-dure. A detailed analysis of such core-shell structures was done, where structural details (size, shape, shell thickness, molecular weight) were obtained by a combination of small angle scattering experiments (light, X-rays and neutrons). In the second part of the work previously synthesized cationic nanoparticles were mixed with anionic or zwitterionic lipid membranes on curved (vesicles) and planar (supported lipid bilayers) surfaces. As a result of attractive Van der Waals and electrostatic interactions nanoparticles adsorb onto the lipid membrane but until up to a certain amount of grafted polymer. Then the interaction becomes mainly repulsive, even if an electrostatic attraction is present. Static measurements were done via quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D), where the resonance frequency change records the spontane-ous supported lipid bilayer formation with subsequent nanoparticle adsorption. Essential parameters such as charge density of the polymer brush and the planar surface, amount of grafted polymer, particle size and material of the planar surface were studied. These experiments showed, that until a given amount of grafted polymer or charge density the nanoparticles do not adsorb at the surface. Beside static experiments the kinetics of the nanoparticle adsorption on vesicles of the same bilayers was investigated. Samples were used with nanoparticles containing a moderate amount of grafted polymer. The kinetic measurements were done by the stopped-flow technique, which allows rapid mixing of two small vol-umes composed of a vesicle and a nanoparticle solution into a measurement cell. The vesicle-nanopar-ticle aggregate formation was followed by time resolved turbidity and small angle X-ray scattering (SAXS) measurements. With increasing nanoparticle to vesicle ratio an increase of the kinetic time was observed. The net charge of the vesicles was inverted by adsorbing NPs and the net charge of decorated surfaces repels further approaching NPs away from the surface., In den letzten Jahren hat die Bedeutung der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen anorganischen Nanopartikeln und Phospholipidmembranen zugenommen, denn diese ermöglichen neue attraktive Anwendungsmöglichkeiten von Nanopartikeln in der Medizin. In diesem Kontext fungieren Vesikel aus Phospholipidmembranen als Modellsysteme für biologische Zellmembranen. Neben harten anorganischen Nanopartikel kann die Interaktion auch mit weichen Nanopartikel von großer Bedeutung sein, denn der Parameter Weichheit wird das Adsorptions- und Desorptionsverhalten verändern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Interaktion von weichen Silikananopartikel mit Phospholipidmembranen. Erstere wurden über eine oberflächeninitialisierte Atomtransfer Radikalpolymerisation (ATRP) synthetisiert, wobei die Weichheit der Nanopartikel durch aufgepfropfte Polymerbürsten auf den Oberflächen entsteht. Dabei wurden Polyelektrolyte verwendet, die die Oberflächenladung der Nanopartikel erhöht, um eine kolloidale stabile wässrige Lösung zu erhalten. Es handelte sich dabei um die Polyelektrolyte Poly-Dimethylaminoethyl-Methacrylat (PDMAEMA, kationisch) und Poly-Methacrylsäure (PMAA, anionisch), deren Ladungsdichte mittels des pH-Wertes gesteuert werden kann, da es sich um schwache Polyelektrolyte handelt. Des Weiteren wurde die aufgepfropfte Polymermenge variiert. Eine detaillierte Analyse der Kern-Schale Nanopartikel wurde mittels mehrerer Analysemethoden durchgeführt, wobei exakte strukturelle Details (Größe, Schalendicke, Molekulargewicht) über verschiedene Kleinwinkelstreumethoden (Licht, Röntgenstrahlung, Neutronen) untersucht wurden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die zuvor hergestellten Nanopartikel mit anionischen sowie zwitterionischen Phospholipidmembranen auf gekrümmten (Vesikel) sowie planaren Oberflächen (unterstüt-zende Lipidschichten) vermischt. Aufgrund anziehender Van-der-Waals und elektrostatischer Wechselwirkung adsorbieren die Nanopartikel auf die Lipidmembran, jedoch nur bis zu einer bestimmten Menge an aufgepfropftem Polymer. Danach ist die Wechselwirkung hauptsächlich repulsiv, obwohl eine elektrostatische Anziehung vorliegt. Statische Untersuchungen wurden mittels Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Energieverlust auf planaren Oberflächen untersucht, wobei über die Resonanzfrequenzveränderung die Ausbildung der „supported lipid bilayer“ und die anschließende Nanopartikeladsorption beobachtet wurden. Wesentliche Parameter, wie die Ladungsdichte der Partikel und Lipide, aufgepfropfte Polymermenge, Partikelgröße und Material der planaren Oberfläche, wurden untersucht. Ergebnisse zeigen, dass eine zu große Polymermenge sowie eine zu hohe Ladungsdichte der Nanopartikel die Repulsion fördern. Neben den statischen Experimenten wurde auch die Dynamik der Nanopartikeladsorption auf Vesikeln untersucht. Es wurden ausschließlich Nanopartikel verwendet, welche eine moderate Menge an aufgepfropften Polymer erhalten. Dabei wurden mittels der Stopped-Flow-Technik Vesikel- und Nanopartikellösung schnell gemischt und dann über zeitaufgelöste Trübungs- und Kleinwinkelröntgenstreumessungen die Strukturbildung der Vesikel-Nanopartikel-Aggregate beobachtet. Es stellte sich heraus, dass sich mit zunehmendem Nanopartikel zu Vesikel Verhältnis das Gleichgewicht langsamer einstellte. Zuerst adsorbieren kationische Nanopartikel auf die anionischen Vesikel. Nach einer bestimmten Anzahl an adsorbierten Partikeln wird die Oberflächenladung umgepolt, sodass das Annähern weiterer Nanopartikel erschwert bzw. verhindert.

The maximum magnetisation (saturation magnetisation) obtainable for iron oxide nanoparticles can be increased by doping the nanocrystals with non-magnetic elements such as zinc. Herein, we closely study how only slightly different synthesis approaches towards such doped nanoparticles strongly influence the resulting sub-nano/atomic structure. We compare two co-precipitation approaches, where we only vary the base (NaOH versus NH\(_3\)), and a thermal decomposition route. These methods are the most commonly applied ones for synthesising doped iron oxide nanoparticles. The measurable magnetisation change upon zinc doping is about the same for all systems. However, the sub-nano structure, which we studied with Mossbauer and X-ray absorption near edge spectroscopy, differs tremendously. We found evidence that a much more complex picture has to be drawn regarding what happens upon Zn doping compared to what textbooks tell us about the mechanism. Our work demonstrates that it is crucial to study the obtained structures very precisely when "playing'' with the atomic order in iron oxide nanocrystals.

Plasmonic anisotropic nanoparticles possess a number of hot spots on their surface due to the presence of sharp edges, tips or vertices, leading to a high electric field strength surrounding the nanostructures. In this paper, we explore different plasmonic nanostructures, including anisotropic gold nanostars (AuNSts) and spherical gold nanoparticles, in surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) in an attenuated total reflection (ATR) configuration. In our experiments, we 22 23 24 25 26 27 observed up to 10-times enhancement of the infrared (IR) absorption of thioglycolic acid (TGA) and up 28 to 2-times enhancement of signals for bovine serum albumin (BSA) protein on plasmonic nanostructure- based films deposited on a silicon (Si) internal reflection element (IRE) compared to bare Si IRE. The dependence of the observed enhancement on the amount of AuNSts present at the surface of the IRE has been demonstrated. Quantitative studies with both, TGA and BSA were performed, observing that the 29 30 31 32 33 SEIRA signal can be correlated to the concentration of analyte molecules present within the evanescent 34 field. The calibration curves in the presence of the AuNSts showed enhanced sensitivity as compared with the bare Si IRE. We finally compare efficiencies of anisotropic AuNSts and spherical citrate- capped and “bare” laser-synthesized gold nanoparticles as SEIRAS substrates for the detection of TGA 35 36 37 38 and BSA. The signal obtained from AuNSts was at least 2 times higher for TGA molecules in 39 comparison with spherical gold nanoparticles, which was explained by a more efficient generation of hot spots on anisotropic surface due to the presence of sharp edges, tips or vertices, leading to a high electric field strength surrounding the AuNSts., acceptedVersion

Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier verschiedene Methoden zur Separation, Identifikation sowie Quantifizierung von Silber-Nanopartikeln (Ag-NP) entwickelt. Mittels asymmetrischer Fluss-Feldflussfraktionierung (AF4) in Kombination mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (ICP-MS) konnten eine gute Trennung und hohe Wiederfindungsraten gefunden werden. Eine systematische Studie möglicher Probenverluste während der Methodenoptimierung zeigte, dass der größte Verlust durch die Ag+-Ionen verursacht wurde, während Verluste durch Ablagerungen auf der Membran vernachlässigbar waren. Für Citrat-stabilisierte Ag-NP konnten mittels Hohlfaser-Fluss-Feldflussfraktionierung (HF5) gute Trennergebnisse erreicht und der hydrodynamische Durchmesser bestimmt werden. Zur Bestimmung der Partikelanzahlgrößenverteilung und des geometrischen Durchmessers von Partikeln in unbekannter Matrix wurde die Isotopenverdünnungsanalyse (IVA) erfolgreich mit der Einzelpartikel ICP-MS kombiniert. Weiterhin wurde eine Hochdruckflüssigkeitschromatographie(HPLC)-IVA-ICP-MS-Methode entwickelt, mit welcher NP und ihre korrespondierenden Ionen getrennt und quantifiziert werden konnten. Ein Vergleich der Ansätze zeigt, dass eine Kombination mehrerer Methoden nötig ist, um alle relevanten Informationen über die NP zu erhalten. Zum Abschluss wurde mit den entwickelten Methoden das Umweltverhalten der Ag-NP in einer Huminsäure(HS)-Suspension untersucht. Hierbei wurden erste Stabilisierungseffekte in Bezug auf die Ag-Konzentration und Partikelanzahl festgestellt. Zudem konnte mittels HF5 und HPLC für kleine NP in HA eine Modifikation in Form der Ausbildung eines zweiten, kleineren NP-Signals beobachtet werden. In this work, four different methods for the separation, identification, and quantification of silver nanoparticles (Ag-NP) were developed. Using asymmetric flow field-flow fractionation (AF4) in combination with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), a good separation and high recovery rates were found. A systematic investigation of possible sample losses during the method optimization showed that Ag+ ions caused the highest loss and only negligible amounts of Ag residues on the membrane were found. For citrate-stabilized Ag-NP, hollow fiber flow-field flow fractionation (HF5) analyses achieved good results for the separation and calculation of the hydrodynamic diameters. In order to determine the particle number size distribution and the geometric diameter for samples in unknown matrices, isotope dilution analysis (IVA) was successfully combined with single particle ICP-MS. Additionally, a high-performance liquid chromatography (HPLC)-IVA-ICP-MS approach was developed, which was able to separate and quantify NP and their corresponding ions. A comparison of the methods showed that a combination of different approaches is necessary to obtain all relevant information. Finally, the methods were applied to analyze the environmental behavior of Ag-NP in a humic acid (HS) suspension. Here, first stabilization effects in terms of the Ag concentration and particle number concentration were detected. Using HF5 and HPLC for the analysis of small NPs in HS, a modification in the form of a second, smaller NP signal was observed.

Untersuchungen zum Verbleib von Nanopartikeln (NP) entlang des Wirkungspfades „Klärschlamm – Boden – Pflanze“ sollen die Umweltgefährdung von NP aufzeigen. Dabei steht die Aufnahme von NP durch Pflanzen im Fokus der Untersuchungen. Durch Versuche mit Hydrokulturen zur Aufnahme von radiomarkierten [48V]TiO2 und [139Ce]CeO2 durch Pflanzen (Sonnenblume, Radieschen, Feldsalat, Weidelgras) sollte das Aufnahmepotential von verschiedenen Pflanzenspezies ermittelt werden. Dazu erfolgte eine Exposition der Versuchspflanzen mit NP im umweltrelvanten Konzentrationsbereich in Leitungswasser (+Fulvinsäure), synthetischem und gereinigtem Abwasser für 96 h. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Aufnahme in Pflanzen durchweg erfolgt. Dabei werden nur geringe Mengen im ng-Bereich in die Sprosse der Pflanzen transloziert. Anhand von Messungen mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM-EDX) kann gezeigt werden, dass die NP gößtenteils mit den Zellwänden der Wurzeloberfläche und dem Wurzelapoplasten assoziert sind (Abbildung 1). Durch autoradiographische Aufnahmender radiomarkierten NP konnten außerdem die Verteilungen der NP innerhalb der Pflanze visualisiert werden. Daraus lässt sich ableiten, dass die NP nicht über aktive Transportmechanismen in die Pflanze aufgenommen werden. Maßgeblich für die Verlagerung von NP in die Sprosse ist dabei der transpirationsgetriebene Wasserstrom in die Pflanze. Es kommt zu Ablagerungen der NP entlang der Blattadern und der Blattränder. Weiterhin lässt sich vermuten, dass NP innerhalb der Pflanze Lösungsprozessen unterliegen. Für Sonnenblume konnte beobachtet werde, dass sich CeO2 nach nur einer Woche zum größten Teil aufgelöst hat und das freie ionische 139Ce sich in der kompletten Pflanze verteilt hat. In Versuchen mit Erdkulturen wurde die Aufnahme von NP in die Pflanze aus mit Erde dotiertem Klärschlamm mit [48V]TiO2 und [139Ce]CeO2 untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine Aufnahme von NP nicht für alle Pflanze nachweisbar ist. Für Weidelgras konnte als einzige der untersuchten Pflanzen, eine Verlagerung von CeO2 aus der Erde in die Pflanze belegt werden. Dabei können nur geringste Konzentrationen von 1 - 4 ng kg-1 nach 14 Tage in der Pflanze nachgewiesen werden. Die Ergebnisse für vergleichbare Untersuchungen mit TiO2 stehen noch aus. Darüber hinaus sind Versuche geplant, die die Bindung der NP an der Bodenpartikeln genauer darstellen sollen. Abschließend wird eine Risikobewertung erarbeitet, welche regulatorische Maßnahmen erachten soll, um zukünftig die Exposition von NP in die Umwelt zu vermeiden.

submitted by Cynthia Vidal Universität Linz, Univ., Dissertation, 2017

Despite immense progress in nanoscience and technology, one of the yet unsolved challenges is the redispersion of nanoparticles from dry powders back to the individual, primary particles. Herein, an easy to handle powder consisting of nanostructured micron sized raspberry-like particles is presented. These nanostructured micro-raspberries are composed of individual nanoparticles which are equipped with molecules that introduce a separating effect or ""spring"" functionality. Thereby, a powder system is obtained that allows for an easy and complete redispersibility of the agglomerates down to the level of individual nanoparticles in solvents and polymers. The mechanism of redispersibility involves mechanic stimuli/force as well as solvent like disintegration aspects (""like dissolves like"" effect). Furthermore, by tailoring the degree of spacer-equipped particles, the bursting behavior can also be tuned, yielding different redispersion degrees. The redispersibility of the nanostructured micro-raspberries is demonstrated in solvents and silicone-based nanocomposites.

In the continuously growing field of nanomedicine, nanoparticles have a pre-eminent position. The particle morphology is a defining aspect of their functionality, yet most current characterization techniques possess certain limitations. This work proposes a novel approach to contrast variation in small-angle X-ray scattering based on the constitution of a solvent density gradient in a glass capillary in order to choose in situ the most appropriate contrast and to acquire extensive datasets in a short time interval. By examining the scattering curves measured at different aqueous sucrose concentrations, information about the internal structure of the nanoparticles as well as their size distribution is obtained. Additionally, the particle density can be estimated from the Guinier region of the scattering curve, as is shown for polymeric colloids across a wide spectrum of polymers. These results are successfully compared with imaging methods and other techniques such as Differential Centrifugal Sedimentation. The continuous contrast variation technique is also employed to characterize the nanodrug Caelyx, a PEGylated liposomal formulation of doxorubicin, using iodixanol as contrast agent, an iso-osmolar suspending medium. The mean size of the nanocarrier is obtained by a model-free analysis of the scattering curves based on the position of the so-called isoscattering point, while the traceable determination of the particle size highlights the advantages in comparison to widespread characterization techniques as Dynamic Light Scattering and Transmission Electron Microscopy. Furthermore, the response of the nanocarrier to increasing solvent osmolality is evaluated with sucrose contrast variation and compared to the different response of PEGylated and plain liposomes to osmotic pressure depending on their size. Therefore, the osmotic pressure necessary for the liposomal shrinkage is quantitatively studied and the morphological changes induced by this deformation are thoroughly examined. The capabilities of the continuous contrast variation method as a sizing technique are further investigated on relevant bio-materials like human lipoproteins or polymeric nanocarriers coated with antibodies. In addition, this technique is employed to determine the density of the lipoproteins, one of the most characteristic traits of these blood plasma components., Im kontinuierlich wachsenden Bereich der Nanomedizin haben Nanopartikel eine herausragende Stellung. Die funktionalen Eigenschaften der Nanopartikeln werden durch ihre Morphologie beeinflusst, jedoch haben die meisten gegenwärtigen Charakterisierungstechniken gewisse Einschränkungen. Die vorliegende Arbeit schlägt einen neuartigen Ansatz zur Kontrastvariation in Röntgen-Kleinwinkel-Streuung (Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) auf der Grundlage des Aufbaus eines Lösungsmitteldichtegradienten in einer Glaskapillare vor, um in situ den geeignetsten Kontrast zu wählen und umfangreiche Datensätze innerhalb eines kurzen Zeitraums zu sammeln. Informationen über die innere Struktur von Nanopartikeln sowie deren Größenverteilung können durch Untersuchung der Streukurven, die bei verschiedenen Konzentrationen von Zucker in Wasser gemessen werden, erhalten werden. Zusätzlich kann die Teilchendichte bestimmt werden, indem der Guinier-Bereich der Streukurven analysiert wird, was für polymere Nanopartikel über ein breites Spektrum von Teilchendichten gezeigt wird. Diese Ergebnisse wurden erfolgreich mit mikroskopischen und anderen Techniken wie Sedimentation in einem Dichtegradient (Differential Centrifugal Sedimentation, DCS) verglichen. Die Technik der kontinuierlichen Kontrastvariation wurde mit dem iso-osmolaren Kontrastmittel Iodixanol auch an dem Nano-Arzneimittel Caelyx durchgeführt, einer PEGylierten liposomalen Zubereitung des Medikaments Doxorubicin. Die mittlere Größe des Nanocarriers wird durch eine modellfreie Analyse der Streukurven basierend auf der Position der sogenannten Isoscattering-Punkte erhalten, während die rückführbare Bestimmung der Partikelgrößen die Vorteile im Vergleich zu weit verbreiteten Charakterisierungstechniken wie dynamischer Lichtstreuung (Dynamic Light Scattering, DLS) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) unterstreicht. Zusätzlich wird die Reaktion des Nanocarriers auf eine zunehmende Lösungsmittel-Osmolalität mittels Zucker-Konzentrationsvariation untersucht und die unterschiedlichen Reaktionen von PEGylierten und einfachen Liposomen auf den osmotischen Druck in Abhängigkeit ihrer Größe verglichen. Dafür wird der für die liposomale Schrumpfung benötigte osmotische Druck quantitativ analysiert und die durch diese Deformation induzierten morphologischen Veränderungen sorgfältig untersucht. Die Möglichkeiten der kontinuierlichen Kontrastvariationmethode als Technik zur Größenbestimmung werden weiter anhand von relevanten Biomaterialien untersucht, wie menschlichen Lipoproteinen oder polymeren Nanocarriern, die mit Antikörpern beschichtet sind. Außerdem wird diese Technik verwendet, um die Dichte von Lipoproteinen zu bestimmen, eine der Haupteigenschaften dieser Blutplasmakomponenten.

Ziel des Vorhabens „NanoSuppe“ ist es den Verbleib von Nanopartikeln (NP) entlang des Wirkpfades „Abwasser-Klärschlamm-Pflanze“, unter Berücksichtung von typischen Prozesssabläufen in kommunalen Kläranlagen, zu untersuchen. Dafür finden Experimente zum Verbleib von NP in Laborkläranlagen statt und der Eintrag von NP in die Umwelt durch Kläranlagen-Effluenten, z.B. Klärschlamm als Dünger, wird erforscht. In Batch und Säulenversuchen werden Erkenntnisse zur Umweltmobilität der NP gewonnen und durch Versuchsreihen in Hydrokultur und Erdkultur die mögliche Aufnahme von NP in Pflanzen untersucht. Das Projekt zeichnet sich hierbei durch die Verwendung radiomarkierter Nanopartikel aus. Dies ermöglicht eine genaue Quantifizierung und Ermittlung der Verteilung der NP in den untersuchten komplexen Matrizes bei Einsatz umweltrelevanter Konzentrationen. Der Einsatz der Radiotracertechnik erfolgt dabei ausschließlich an Boden-, Pflanzen- und Klärschlammproben im Labor und unter kontrollierten Bedingungen. Es wird ein Prozessmonitoring erzielt und Aussagen zum Verhalten und Verbleib von Nanopartikeln entlang des Wirkungspfades möglich.

Environmental transformations of nanoparticles (NPs) play a major role in determining their likely fate in the environment and the implications for toxicity, mobility and general risk assessment. A main question in this context is the dissolution of nanoparticles. If a nanoparticle dissolves quickly it may be treated as ionic species in terms of risk assessment, while particulate species can show different tendencies of transport, uptake by organisms and consequently toxicity. Slowly dissolving NPs can exhibit a so-called Trojan-horse effect, transporting and releasing ions at places where said ions would not have been transported – at least not at the same concentrations - without traveling on horseback, i.e. in particulate forms. Using different radiolabeling techniques we have investigated the dissolution of CeO2 NPs. Through activation by proton bombardment using a cyclotron we have radiolabeled CeO2 NPs with radioactive Ce-139 via a (p,2n) nuclear reaction from Ce-140 to Pr-139 followed by the decay of Pr-139 to Ce-139. Here the radiolabel can be assumed to be uniformly distributed in the resulting [Ce-139]CeO2 NPs. In contrast to this we also have produced [Ce-139]CeO2 NP using an in-diffusion technique where ionic radioactive Ce-139 diffuses into the NPs at elevated temperatures. Here the radiolabel is located close to the surface of the NPs. This results in different leaching kinetics of Ce-139 for the two batches of [Ce-139]CeO2 NPs (Fig. 1). The comparison of the different rates allows us to calculate that about 47 % of the 139Ce introduced by in-diffusion is located in the first atomic layer of the CeO2 NPs. We can show that dissolution plays an insignificant role under environmentally relevant conditions with leaching rates well below 1 % of Ce. However, this still reflects significant changes of the surface of the CeO2, as a dissolution of only 1.5 % corresponds to a complete removal of the first atomic layer. Furthermore, using the differently labeled [Ce-139]CeO2 NPs we can show that the uptake of Ce into plants when exposed to CeO2 NP is mainly an uptake of particulate CeO2 rather than dissolved ionic Ce.

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Die Identifizierung der Hauptaufnahmepfade von technischen Nanopartikeln in Pflanzen ist ein wichtiger Faktor bei der Einschätzung ihres Verbleibs in der Umwelt und der damit verbundenen Risiken. Durch den Einsatz unterschiedlicher Radiomarkierungsmethoden gelang es eine hauptsächlich partikulär stattfindende Aufnahme von CeO2-Nanopartikeln zu zeigen, im Gegensatz zu einer Aufnahme in Form ionischen Cers.

The identification of major uptake pathways in plants is an important factor when evaluation the fate of manufactured nanoparticles in the environment and the associated risks. Using different radiolabeling techniques we were able to show a predominantly particulate uptake for CeO2 nanoparticles (NPs) in contrast to a possible uptake in the form of ionic cerium.

Fibre reinforced polymers (FRPs) generally consist of different phases including the matrix phase, the fibres as the dispersed phase and the fibre/matrix interphase. Of great importance for the FRP properties such as mechanical strength is the contact between the fibre and the matrix. In this work modification of the fibre surface was investigated with the aim to strengthen the contact between fibre and matrix by increasing the surface of fibre and matrix as well as using the atomic forces through nanoparticles. These modifications are to enhance properties of the composite such as tensile strength and interfacial strength. One approach used to achieve this was the modification of the fibre surface by coating it with a resin containing nanoscaled particles including purified carbon nanotubes (CNTs), carbon nanotubes functionalized with carboxyl groups or amino groups as well as boehmite nanoparticles functionalized with taurine. Another approach was to modify the fibres with various treatments. In this approach the fibres were plasma treated, coated using a sizing agent with carbon nanotubes dispersed in it or treated in liquid nitrogen. Properties of the composites produced such as strength and effectiveness of the composites were investigated using the tensile fibre bundle test as well as the single fibre pullout test. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the homogeneity of the dispersions and fracture areas of samples that underwent fracture testing. Results obtained in this work show that considerable enhancement of the interphase and mechanical strength of the FRP can be achieved with composites that contained suitably treated fibres. Particular improvements were achieved with the plasma treatment of carbon fibres in an Ar/O2 atmosphere as well as a combination of CNTs and boehmite nanoparticles in the resin.

In addition to the so-called small molecule drugs, proteins and peptides are of increasing interest for pharmacotherapy, due to several advantageous properties. In general, those compounds are administered parenterally. However, non-invasive routes of administration represent a great part of research. Amongst others is the pulmonary application of proteins and peptides for local delivery in the case of pulmonary diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis, where the alveolar epithelium is affected. To ensure an intracellular delivery, nanoparticles in a size range of 150 nm were prepared via charge-mediated coacervation, characterized for their physicochemical properties and loaded with several model-proteins and -peptides. The material used for nanoparticle preparation was chosen to be positively and negatively charged starch derivatives, which were synthesized from potato starch. Although nanoparticles in that size range are known to show an increased cell uptake, they do not show a high deposition in the deep lung. Thus, an advanced carrier system consisting of a fast dissolving microparticle matrix with embedded starch nanoparticles was developed and characterized. Due to its aerodynamic properties, that carrier system was able to deposit a high fraction of the applied dose in the deep lung (~50%), while at the same time demonstrating (in in vitro models) the ability to facilitate uptake of starch nanoparticles into cells of the alveolar epithelium after fast dissolution of the microparticle matrix. Aufgrund zahlreicher Vorteile, stellen Proteine und Peptide eine vielversprechende Erweiterung der Pharmakotherapie dar, weg von sogenannten small molecule drugs. Die nicht-invasive Applikation solcher Wirkstoffe steht heutzutage im Fokus der Forschung. Unter anderem zählt hierzu die pulmonale Applikation von Proteinen und Peptiden für die lokale Gabe bei bestimmten Lungenerkrankungen wie z.B. der idiopathischen pulmonalen Fibrose, bei der vor allem das Alveolarepithel betroffen ist. Um ein intrazelluläres Delivery zu gewährleisten wurden Nanopartikel durch ladungsvermittelte Koazervation im wässrigen Medium mit einem Größenbereich um die 150 nm hergestellt und charakterisiert. Im Anschluss wurden die Nanopartikel mit verschiedenen Modell-Proteinen und -Peptiden beladen. Das Material für die Nanopartikel bestand dabei aus negativ und positiv geladenen Stärkederivaten, welche aus Kartoffelstärke synthetisiert wurden. Da Nanopartikel in diesem Größenbereich zwar eine Aufnahme in die Zelle erleichtern, allerdings keine hohe Depositionsrate in der tiefen Lunge erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezielles Drug Delivery System, bestehend aus in einer sich schnell auflösenden Mikropartikel Matrix mit eingebetteten Nanopartikeln, entwickelt und charakterisiert. Durch seine aerodynamischen Eigenschaften ist das Drug Delivery System fähig einen Großteil der applizierten Dosis in der tiefen Lunge zu deponieren (~50%), als auch, nach der schnellen Auflösung der Mikropartikel Matrix, die Aufnahme der Nanopartikel in das Lungenepithel (in vitro) zu gewährleisten.

Quantification of XPS spectra of insulating core-shell nanoparticles provided by University of Eastern Piedmont Amedeo Avogadro (PMO) has been performed with help of the National Institute of Standards and Technology (NIST) database for the simulation of electron spectra for surface analysis (SESSA) and the data processing program CasaXPS. The preparation of the NP, which were delivered in liquid suspension, was done in-house and documented. The XPS spectra were recorded by a system designed and constructed by SPECS Surface Nano Analysis GmbH and the problems faced during the measurement such as partial charge effects are outlined. Especially, the shell thickness was determined by a direct and non-iterative method, which was developed by Alex G. Shard. Also, a sample of a planar IRGANOX overlayer on 50nm Au was quantified and investigated the behaviour of the background spectrum of the respective XPS spectra. Knowledge about the origin of the background provides information about the morphology of not only planar layered specimens, but also of core-shell nanoparticles. For a better understanding of the energy losses the electrons experience during their travel through the solid, the single inelastic bulk scattering probability DIIMFP was determined with help of REELS measurements and a simple deconvolution method.

Within recent years the growing application of nanoparticles (NPs) in products of everyday life caused raising concerns about their potential risks for humans and environment. Environmental concentrations of manufactured nanoparticles are predicted to be low, but significant. Key players in regulating NP influx into the environment are wastewater treatment plants (WWTP). The development of removal guidelines and a NP classification based on their likely fate in wastewater treatment (WWT) is mandatory to support WWTP operating companies and regulating agencies. A potential approach based on suitable functional assays is developed within the project NanoSuppe in cooperation with an US-EPA initialized round robin test with various partners in the US. The idea is to use a simple test program to establish NP affinity coefficients with activated sewage sludge to predict net removal rates during WWT. Within NanoSuppe, different NPs, such as TiO2, CeO2, MWCNT and Quantum dots, are radiolabeled for easy and highly sensitive detection and employed in batch sorption experiments with activated sludge from a local WWTP. Based on the theory developed by Barton et al., NP affinities for NP hetero-aggregation with the activated sludge are measured from the time-dependent sorption behavior and used as a means of categorizing NP in different groups. We found that the results of such functional assays depend very much on the experimental setup, such as composition of the dispersion medium (or matrix solution) and consequently NP surface modification (which is to be expected). There is also a significant influence of mixing times and, more dominant, shaking intensity. One of the key parameters is the initial colloidal stability of the NPs in the used media. A suitable procedure that best reflects the situation during WWT is desirable and the predictive strength concerning net removal rates during WWT is to be verified in WWTP model experiments.

[no abstract]

The blood-brain barrier (BBB) rigorously shields off the central nervous system from the periphery thereby protecting the fragile brain homeostasis. Yet, it also causes many potentially effective brain drugs to fail in vivo - not because of a lack of potency, but for they cannot enter the brain parenchyma. Nanoparticles enable brain drug delivery by acting as Trojan Horses, masking the original physicochemical properties of a drug and allowing targeted transport to biostructures, thereby enlarging the pool of brain drug candidates, such as potential anti-Alzheimer’s disease (AD) drugs. Flurbiprofen (FBP) is a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID) that lowers amyloid beta (Aβ) and AD prevalence in high dose long-term treatment. Still, an FBP enantiomer failed in clinical trials with AD patients, likely for its poor brain penetrating capacity. This study revisits FBP as an anti-AD drug by packing the drug into poly(lactic acid) nanoparticles (PLA-FBP NP). PLA-FBP NP crossed an advanced in vitro BBB model (consisting of primary porcine brain capillary endothelial cells (pBCEC) on Transwell® inserts to allow a blood and a brain compartment separation). Also, PLA-FBP NP reduced Aβ42 burden (generated by AD model cells) in the brain compartment – notably without destroying barrier integrity. These promising in vitro findings highlight the potential of nanotechnology-based approaches as a chance in BBB crossing for the prevention and treatment of neurodegenerative disorders. Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) trennt Peripherie und Zentralnervensystem voneinander um die fragile Hirn-Homöostase zu schützen. Allerdings scheitern daher viele potentiell effektive Neurotherapeutika in vivo – sie können die BHS oft nicht überschreiten. Nanopartikel können den Transport ins Gehirn vermitteln indem sie als Trojanische Pferde die physikochemischen Eigenschaften der Substanzen maskieren und einen zielgerichteten Transport erlauben. Dies vergrößert die Anzahl potentieller Neuropharmaka, z.B. gegen die Alzheimer Krankheit (AD). Flurbiprofen (FBP) gehört zu den nichtsteroidalen Antirheumatika, die Amyloid beta (Aβ) und die AD-Prävalenz bei hoch dosierter Langzeitgabe verringern können. Dennoch verliefen klinische Studien mit AD Patienten enttäuschend, wahrscheinlich, weil FBP die BHS nur schlecht passiert. Diese Arbeit greift FBP wieder auf, indem die Substanz in Polymilchsäure-Nanopartikel (PLA-FBP NP) verpackt wird. PLA-FBP NP konnten ein in vitro BHS Modell (basierend auf primären porzinen Hirnkapillarendothel-Zellen (pBCEC) auf Transwell® Einsätzen zur Teilung in Blut- und Hirn-Kompartiment) überwinden. Darüber hinaus konnten die Nanopartikel Aβ42 im Hirn-Kompartiment (produziert von AD Modell-Zellen) reduzieren – ohne dabei die Barriere-Integrität zu zerstören. Diese vielversprechenden in vitro Daten unterstreichen das Potenzial Nanotechnologie-basierter Ansätze zur Überwindung der BHS für die Therapien und Prävention neurodegenerativer Erkrankungen.

Having emerged from basic science, nanoparticles are now applied in many fields of science and technology. Agglomeration is ubiquitous and occurs, often inadvertently, in the formulation of particle-polymer mixtures, during the chemical functionalisation of nanoparticles and even during storage. This dissertation outlines recent studies on the agglomeration behaviour of different gold nanoparticle types. A modular fluidic system was specifically designed to perform the experiments. It enables the preparation of a steady flow of stable or unstable nanoparticle samples. This allows to observe different steps of a time-dependant process in steady state over practically arbitrary times in flow. These capabilities are used in this research to investigate the agglomeration of destabilised aqueous gold nanoparticles, reassess the solvent induced self-assembly of unpolar gold nanoparticles and examine the shear-assisted orientation of gold nanowires. The performance of the system is demonstrated and new insights on the influence of solvent conditions, temperature and the flow field are presented. The relevant process parameters as well as the microscopic interactions responsible for the structure formation mechanisms are discussed. Nanopartikel sind ihren Kinderschuhen in der Grundlagenforschung entwachsen und haben mittlerweile vielfältige Einsatzmöglichkeiten von der Forschung bis zur industriellen Anwendung. Agglomeration spielt in der Regel eine Rolle und tritt (gewollt oder ungewollt) bei der Herstellung von Partikel-Polymerkompositen, der Oberflächenmodifizierung von Partikeln und selbst der Lagerung auf. In dieser Dissertation werden neue Studien zur Agglomeration verschiedener Klassen von Gold-Nanopartikeln vorgestellt. Ein modulares Fluidiksystem wurde speziell für die hier präsentierten Versuche entworfen. Damit kann ein kontinuierlicher Fluss aus stabilen und speziell auch destabilisierten Nanopartikelproben erzeugt werden. Dadurch wird es möglich, verschiedene Stufen einer zeitlich veränderlichen Reaktion im Fließgleichgewicht zu analysieren. Dabei ist die Integrationszeit grundsätzlich nicht beschränkt. Mittels dieser Möglichkeiten wurde in dieser Forschungsarbeit die Agglomeration von destabilisierten, wässrigen Gold-Nanopartikeln untersucht, die Selbstorganisation unpolarer Partikel in geordnete Überstrukturen neu beleuchtet und die Ausrichtung von Gold-Nanodrähten in einer Scherströmung analysiert. Die dazugehörigen Prozessparameter sowie die zugrunde liegenden mikroskopischen Wechselwirkung sollen in dieser Arbeit erörtert werden.

The performance of epoxy resins used for carbon fibre reinforced plastics can be significantly improved by the incorporation of nanoparticles. It is well known that the effect of material altering depends on many factors as filler material, particle distribution, particle size and shape. This paper investigates the hypothesis that particle surface modifications lead to a further improvement of the mechanical properties. Results of nanocomposites filled with four different surface modified boehmite particles are presented. The material was tested with different filler contents and analysed for chemical bonding, viscosity, thermal properties and bending performance. Surprising results show a strong influence of the surface modification on the viscosity, but no significant changes in the other material characteristics. The change of filler content in contrast has an influence on all tested performances of the nanocomposites. The results show a contrary effect of network interruption due to sterical hindrance by the particles and reinforcement due to the stiff ceramic fillers. For different filler contents these two effects have a varying influence on the material characteristics. From these results a model for the mechanism of the particle reinforcement in thermosets is concluded, which helps to understand the effectiveness of nanoparticles as reinforcement of epoxy resins.

Die Verbindung von hoch entwickelten Nanomaterialien mit fluoreszenzbasierten Technologien hat sich zu einem aufstrebenden Forschungsbereich entwickelt. Nichtsdestotrotz ist bis heute der Schritt von einem organischen Indikatormolekül zum anwendbaren Sensorsystem ein komplexer Prozess. Diese Arbeit zielte darauf ab, sensorische Materialien verschiedener chemischer Natur für diverse Analyten zu entwickeln, zu charakterisieren und zu etablieren. Hierbei wurden zunächst pH sensitive Fluoreszenzfarbstoffe entwickelt und in dünnen Membranen immobilisiert. Der Teststreifen ermöglicht die Beurteilung von pH-Änderungen mit dem Auge. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie diese Farbstoffe auch in eine wasserlösliche Form überführt werden können. Damit konnten lokale pH-Änderungen an der Wachstumsfront von Silikat-Biomorphs detektiert werden. Auch partikuläre Systeme stellten sich als geeignete Materialien heraus. Es konnte gezeigt werden, wie die Silikat-Matrix von Partikeln zu verbesserten Eigenschaften für Farbstoffe führt. Mittels farbstoffbeladener Partikel konnte in einem Lateral-Flow-Assay ein schneller Nachweis von TATP etabliert werden. Ein anderer Ansatz verfolgte das Ziel des sensitiven Nachweises von Quecksilberionen in Wasser. In einem anderen System konnten Silikat-Nanopartikeln so funktionalisiert werden, dass ein sensitiver und selektiver Nachweis von Schwermetallionen und Anionen über ein Quencher-Displacement-Assay gelang. Zusätzlich wurde die einzigartige Oberfläche von Zellulosepartikeln mithilfe eines neu entwickelten Fluoreszenzfarbstoffs untersucht. Die untersuchten Materialien und Strategien zeigen, wie leicht innovative Moleküle für potentielle sensorische Systeme im wässrigen Medium auf Basis von fluoreszierenden Partikeln und dünnen Schichten geschaffen werden können. Das Verhalten der hergestellten Materialien wurde über spektroskopische Methoden evaluiert und dabei, wenn möglich, die Parameter Sensitivität, Selektivität und Ansprechzeit beurteilt. The combination of fluorescence and nanomaterials has developed into an emerging research area. Nonetheless until now the step from an organic sensory molecule to a final sensor format is a complex endeavor. This thesis aimed at the preparation of particulate and thin-film based platforms for various analytes through combining the features of an appropriate host material with outstanding properties of dyes concomitant with sensitive fluorescence detection techniques. In particular, pH sensitive fluorescent probes were sterically immobilized into a thin membrane. The dip-stick allows the assessment upon change in pH with the eye. Especially a probe working at high basic pH range was converted into a water-soluble analogue and was directly applied at the growth front of silica biomorphs to detect local pH changes. But also particulate structures are suitable host materials. It is shown how the silica matrix of nanoparticles lead to improved optical properties for embedded dyes. The interactions of silica and fluorescent dyes within the pores of mesoporous particles were exploited to develop an actual sensor format based detection of TATP. In another approach it was possible to detect mercury ions in water. Heavy metal ions were also successfully detected in a quencher displacement assay involving receptor-dye functionalized silica nanoparticles. The impact of the unique surface properties of cellulose microparticles was shown by a fluorescent dye which allows an assessment of the surface functional groups and microenvironment through the reactivity and its changes in the optical properties. The performance of the prepared materials were evaluated mostly by spectroscopic methods and if possible assessed in terms of sensitivity, selectivity and response time. The newly developed and investigated materials based on fluorescent particulate and thin-films show the facile application of innovative sensor probes for potentially sensing devices.

eingereicht von Peter Satzer Zusammenfassung in deutscher Sprache Universität für Bodenkultur Wien, Univ., Dissertation, 2015 OeBB

Active silica nanoparticle-based raspberry-like container depots for agents such as antimicrobial substances are presented. The nano raspberry-containers are integrated into coatings in a way that they form a mole-hill structure; i.e., they are partly standing out of the coating. As an application example, it is demonstrated that the containers can be filled with antimicrobially active agents such as nano ZnO or Ag or organic molecules such as thymol. It is demonstrated that the containers can be partly chopped-off via abrasion by rubbing over the surface. This mechanism proves to be an attractive approach to render surfaces refreshable. A first proof of principle for antimicrobial activity of the intact containers in the coatings and the abrasion treated, chopped-off (and thereby reactivated) containers is demonstrated.

Mono- und bimetallische Nanopartikel wurden mithilfe der Überkritischen Reaktivabscheidung SFRD (Supercritical Fluid Reactive Deposition) auf unterschiedliche pulverförmige Trägermaterialien abgeschieden. Hierbei wurden Kohlenstoffdioxid als überkritisches Lösungs- und Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt. Zur Optimierung des Herstellungsprozesses wurden noch unbekannte Einflussfaktoren auf die Partikel- und Produkteigenschaften eingehend untersucht.

Magnetic nanoparticles and their assembly in highly correlated structures are of great interest for future applications as e.g. spin-based data storage. These systems are not only distinguished by the obvious miniaturization but by the novel physical properties emerging due to their limited size and ordered arrangement, as well. The superstructures are formed from nanometer sized building blocks, ordered like atoms in a crystal, which renders them a newclass of materials. To gain a profound understanding of these systems it is necessary to perform experiments on all length scales. The present work supplies an extensive and novel contribution to the investigation of the structural properties and the self-assembly of iron oxide nanoparticle superstructures. The unique combination of microscopy and scattering techniques allows a new understanding of the structural features of three dimensional structures that develop from the self-organization of these particles. In this thesis, magnetic nanoparticles have been deposited for this purpose using a self organization method to form long range ordered structures, so called mesocrystals. The processof self-assembling has been investigated for the influence of different deposition parameters and these parameters have been optimized. An in-situ study using grazing incidence x-ray scattering during the growth of the mesocrystals allowed the identification of different stages of the mesocrystal growth and its spatial position. From the combination of these different experiments it was possible to establish a model for the growth process governed by a shape and size selective arrangement of the particles. Another highlight of this work is the measurement on a single mesocrystal, which had only a volume of 2.5 $\mu$m$^{3}$, leading to a challenging diffraction experiment. It was possible to extract structural quality parameters from this investigation, as e.g. the mosaicity, which would normally be masked by the distribution of the orientation and lattice parameters generally present in the normal samples that contain a large number of mesocrystals. A detailed analysis of the scattering patterns of different samples with mesocrystal ensembles yielded a refined structure model, which allowed the quantitative analysis of the data collected as well for in-situ created as for already deposited samples. In addition, a new rounded cubes form factor was developed for the modeling of small angle x-ray scattering and the single mesocrystal diffraction data. In conclusion, this work shows the large correlation in these nanoparticle superstructures, the distribution of different structural parameters that can be present in the samples and how much information can be extracted from the scattering patterns.