Dissertations / Theses on the topic 'Polyelektrolyte'

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

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

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

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

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

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

Within this work, three physicochemical methods for the hydrophobization of initially hydrophilic solid particles are investigated. The modified particles are then used for the stabilization of oil-in-water (o/w) emulsions. For all introduced methods electrostatic interactions between strongly or weakly charged groups in the system are es-sential. (i) Short chain alkylammonium bromides (C4 – C12) adsorb on oppositely charged solid particles. Macroscopic contact angle measurements of water droplets under air and hexane on flat silica surfaces in dependency of the surface charge density and alkylchain-length allow the calculation of the surface energy and give insights into the emulsification properties of solid particles modified with alkyltrimethylammonium bromides. The measure-ments show an increase of the contact angle with increasing surface charge density, due to the enhanced adsorp-tion of the oppositely charged alkylammonium bromides. Contact angles are higher for longer alkylchain lengths. The surface energy calculations show that in particular the surface-hexane or surface-air interfacial en-ergy is being lowered upon alkylammonium adsorption, while a significant increase of the surface-water interfa-cial energy occurs only at long alkyl chain lengths and high surface charge densities. (ii) The thickness and the charge density of an adsorbed weak polyelectrolyte layer (e.g. PMAA, PAH) influence the wettability of nanoparticles (e.g. alumina, silica, see Scheme 1(b)). Furthermore, the isoelectric point and the pH range of colloidal stability of particle-polyelectrolyte composites depend on the thickness of the weak polye-lectrolyte layer. Silica nanoparticles with adsorbed PAH and alumina nanoparticles with adsorbed PMAA be-come interfacially active and thus able to stabilize o/w emulsions when the degree of dissociation of the polye-lectrolyte layer is below 80 %. The average droplet size after emulsification of dodecane in water depends on the thickness and the degree of dissociation of the adsorbed PE-layer. The visualization of the particle-stabilized o/w emulsions by cryogenic SEM shows that for colloidally stable alumina-PMAA composites the oil-water interface is covered with a closely packed monolayer of particles, while for the colloidally unstable case closely packed aggregated particles deposit on the interface. (iii) By emulsifying a mixture of the corrosion inhibitor 8-hydroxyquinoline (8-HQ) and styrene with silica nanoparticles a highly stable o/w emulsion can be obtained in a narrow pH window. The amphoteric character of 8-HQ enables a pH dependent electrostatic interaction with silica nanoparticles, which can render them interfa-cially active. Depending on the concentration and the degree of dissociation of 8-HQ the adsorption onto silica results from electrostatic or aromatic interactions between 8-HQ and the particle-surface. At intermediate amounts of adsorbed 8-HQ the oil wettability of the particles becomes sufficient for stabilizing o/w emulsions. Cryogenic SEM visualization shows that the particles arrange then in a closely packed shell consisting of partly of aggregated domains on the droplet interface. For further increasing amounts of adsorbed 8-HQ the oil wet-tability is reduced again and the particles ability to stabilize emulsions decreases. By the addition of hexadecane to the oil phase the size of the droplets can be reduced down to 200 nm by in-creasing the silica mass fraction. Subsequent polymerization produces corrosion inhibitor filled (20 wt-%) poly-styrene-silica composite particles. The measurement of the release of 8-hydroxyquinoline shows a rapid increase of 8-hydroxyquinoline in a stirred aqueous solution indicating the release of the total content in less than 5 min-utes. The method is extended for the encapsulation of other organic corrosion inhibitors. The silica-polymer-inhibitor composite particles are then dispersed in a water based alkyd emulsion, and the dispersion is used to coat flat aluminium substrates. After drying and cross-linking the polmer-film Confocal Laser Scanning Micros-copy is employed revealing a homogeneous distribution of the particles in the film. Electrochemical Impedance Spectroscopy in aqueous electrolyte solutions shows that films with aggregated particle domains degrade with time and don’t provide long-term corrosion protection of the substrate. However, films with highly dispersed particles have high barrier properties for corrosive species. The comparison of films containing silica-polystyrene composite particles with and without 8-hydroxyquinoline shows higher electrochemical impedances when the inhibitor is present in the film. By applying the Scanning Vibrating Electrode Technique the localized corrosion rate in the fractured area of scratched polymer films containing the silica-polymer-inhibitor composite particles is studied. Electrochemical corrosion cannot be suppressed but the rate is lowered when inhibitor filled composite particles are present in the film. By depositing six polyelectrolyte layers on particle stabilized emulsion droplets their surface morphology changes significantly as shown by SEM visualization. When the oil wettability of the outer polyelectrolyte layer increases, the polyelectrolyte coated droplets can act as emulsion stabilizers themselves by attaching onto bigger oil droplets in a closely packed arrangement. In the presence of 3 mM LaCl3 8-HQ hydrophobized silica particles aggregate strongly on the oil-water inter-face. The application of an ultrasonic field can remove two dimensional shell-compartments from the droplet surface, which are then found in the aqueous bulk phase. Their size ranges up to 1/4th of the spherical particle shell.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Oberflächenmodifikationen zur Hydrophobierung von ursprünglich hydrophilen Feststoffpartikeln entwickelt. Die so modifizierten Partikel werden dann zur Stabilisierung von Öl-in-Wasser Emulsionen verwendet. Für sämtliche entwickelte Methoden sind elektrostatische Wechselwirkungen zwischen stark oder schwach dissoziierten chemischen Gruppen essentiell. (i) Kurzkettige Alkyltrimethylammonium Bromide (C4-C12) adsorbieren auf entgegengesetzt geladenen Partikeln. Makroskopische Kontaktwinkelmessungen von Wasser Tropfen in Luft und Hexan auf flachen Siliziumoxid Oberflächen mit variabler Oberflächenladungsdichte und Alkylkettenlänge ermöglichen die Berechnung der Oberflächenenergie und geben Einblicke in die Emulgationseigenschaften von so modifizierten Feststoffpartikeln. Die Messungen zeigen einen Anstieg des Kontakwinkels mit steigender Oberflächenladungsdichte, bedingt durch die verstärkte Adsorption von entgegengesetzt geladenen Alkyltrimethylammonium Bromiden. Die Kontaktwinkel sind zudem größer für längerkettige Alkyltrimethylammonium Bromide. Die Berechnungen der Oberflächenenergie zeigen, dass besonders die Feststoff-Hexan oder Feststoff-Luft Grenzflächenenergie durch die Adsorption verringert wird, wohingegen die Feststoff-Wasser Oberflächenenergie nur bei längeren Alkylkettenlängen und hohen Oberflächenladungsdichten signifikant ansteigt. (ii) Die Schichtdicke und Ladungsdichte von adsorbierten schwachen Polyelektrolyten (z.B. PMAA, PAH) beeinflusst die Benetzbarkeit von Nanopartikeln (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid). Der isoelektrische Punkt und der pH Bereich für kolloidale Stabilität solcher Polyelektrolyt modifizierter Partikel hängt von der Dicke der Polyelektrolytschicht ab. Siliziumoxid und Aluminiumoxid Nanopartikel mit adsorbierten PAH bzw. PMAA werden Grenzflächenaktiv und dadurch befähigt Öl-in-Wasser Emulsionen zu stabilisieren, wenn der Dissoziationsgrad der Polyelektrolytschicht geringer als 80 % ist. Die durchschnittliche Tropfengröße von Dodecan-in-Wasser Emulsionen ist abhängig von der Polyelektrolytschichtdicke und dem Dissoziationsgrad. Die Visualisierung von Partikel stabilisierten Öl-in-Wasser Emulsionen durch kryogene REM zeigt, dass im Falle von kolloidal stabilen Aluminiumoxid-PMAA Partikeln die Öl-Tröpfchen mit einer dichtgepackten Partikelhülle belegt sind, während für kolloidal destabilisierte Partikel eine Hülle aus aggregierten Partikeln gefunden wird. (iii) Durch das Emulgieren einer Lösung des Korrosionsinhibitors 8-Hydroxychinolins (8HQ) in Styrol mit Siliziumoxid Nanopartikeln können stabile Öl-in-Wasser Emulsionen in einem pH Fenster von 4 - 6 hergestellt werden. Der amphoterische Charakter von 8HQ ermöglicht eine pH abhängige elektrostatische Wechselwirkung mit den Siliziumdioxid Nanopartikeln, welche diese Grenzflächenaktiv werden lässt. In Abhängigkeit der Konzentration und des Dissoziationsgrads von 8HQ folgt die Adsorption auf Siliziumdioxid aus elektrostatischen oder aromatischen Wechselwirkungen zwischen 8HQ und der Partikeloberfläche. Bei mittleren adsorbierten Mengen wird die Öl Benetzbarkeit der Partikel ausreichend erhöht um Öl-in-Wasser Emulsionen zu stabilisieren. Kryogene REM zeigt, dass die Partikel dann in dicht gepackte Hüllen, mit teilweise aggregierten Domänen auf der Öltröpfchenoberfläche vorliegen. Durch weiter ansteigende adsorbierte 8HQ Mengen wird die Öl-Benetzbarkeit wieder zurückgesetzt und die Emulgationsfähigkeit der Partikel aufgehoben. Durch die Zugabe von Hexadecan zur Öl Phase kann die Tropfengröße durch Erhöhung des Siliziumdioxid Anteils auf 200 nm herabgesetzt werden. Anschließende Polymerisation des Styrols generiert Korrosionsinhibitor gefüllte (20 Gew-%) Polystyrol-Silizumoxid Komposite. Die Messung der Freisetzungsrate von 8HQ zeigt einen schnellen Anstieg der 8HQ Konzentration in einer gerührten wässrigen Lösung innerhalb von 5 Minuten. Die Verkapselungsmethode wird auch für andere organische Korrosionsinhibitoren erweitert. Die Komposite werden dann in einer wasserbasierten Alkydpräpolymeremulsion dispergiert und diese Mischung wird zur Beschichtung von flachen Aluminiumplatten genutzt. Nach Trocknung und Quervernetzung des Films wird Konfokale Laser Mikroskopie dazu verwendet um die räumliche Verteilung der Composite im Film zu visualisieren. Elektrochemische Impedanzspektroskopie zeigt, dass die Barriereeigenschaften des Films durch die Anwesenheit der Komposite verbessert sind. Raster Vibrationselektroden Messungen zeigen, dass die Korrosionsrate in einem Kratzer des Films durch die Anwesenheit der Inhibitor efüllten Komposite reduziert ist. Durch die Ablagerung von 6 Polyelektroytschichten auf Feststoffstabilisierten Emulsionströpfchen verändert sich deren Oberflächenmorphologie deutlich (gezeigt durch REM). Wenn die Ölbenetzbarkeit der äußeren Polyelektrolytschicht ansteigt, dann können solche Polyelektolytbeschichteten Feststoffstabilisierte Emulsionströpfchen selber als Emulsionsstabilisatoren verwendet werden. Diese lagern sich dann in einer dicht gepackten Schicht auf der Oberfläche von größeren Emulsionstropfen ab. In der Gegenwart von 3 mM LaCl3 aggregieren 8HQ modifizierte Siliziumoxid Partikel stark auf der Öl-Wasser Grenzfläche. Der Einsatz von Ultraschall kann aggregierte Schalenbestandteile von der Tropfenoberfläche wegreißen. Diese Wracks können bis zu einem Viertel der Kugelhülle ausmachen und liegen dann als kolloidale Schalen im Wasser vor.

In the course of this thesis gold nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures were prepared, characterized, and investigated according to their static and ultrafast optical properties. Using the dip-coating or spin-coating layer-by-layer deposition method, gold-nanoparticle layers were embedded in a polyelectrolyte environment with high structural perfection. Typical structures exhibit four repetition units, each consisting of one gold-particle layer and ten double layers of polyelectrolyte (cationic+anionic polyelectrolyte). The structures were characterized by X-ray reflectivity measurements, which reveal Bragg peaks up to the seventh order, evidencing the high stratication of the particle layers. In the same measurements pronounced Kiessig fringes were observed, which indicate a low global roughness of the samples. Atomic force microscopy (AFM) images veried this low roughness, which results from the high smoothing capabilities of polyelectrolyte layers. This smoothing effect facilitates the fabrication of stratified nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures, which were nicely illustrated in a transmission electron microscopy image. The samples' optical properties were investigated by static spectroscopic measurements in the visible and UV range. The measurements revealed a frequency shift of the reflectance and of the plasmon absorption band, depending on the thickness of the polyelectrolyte layers that cover a nanoparticle layer. When the covering layer becomes thicker than the particle interaction range, the absorption spectrum becomes independent of the polymer thickness. However, the reflectance spectrum continues shifting to lower frequencies (even for large thicknesses). The range of plasmon interaction was determined to be in the order of the particle diameter for 10 nm, 20 nm, and 150 nm particles. The transient broadband complex dielectric function of a multilayer structure was determined experimentally by ultrafast pump-probe spectroscopy. This was achieved by simultaneous measurements of the changes in the reflectance and transmittance of the excited sample over a broad spectral range. The changes in the real and imaginary parts of the dielectric function were directly deduced from the measured data by using a recursive formalism based on the Fresnel equations. This method can be applied to a broad range of nanoparticle systems where experimental data on the transient dielectric response are rare. This complete experimental approach serves as a test ground for modeling the dielectric function of a nanoparticle compound structure upon laser excitation.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gold-Nanopartikel/Polyelektrolyt Multischichtstrukturen hergestellt, strukturell charakterisiert und bezüglich ihrer optischen Eigenschaften sowohl statisch als auch zeitaufgelöst analysiert. Die Strukturen wurden mithilfe der Dip-coating oder der Spin-coating Methode hergestellt. Beide Methoden ermöglichen das Einbetten einzelner Partikellagen in eine Polyelektrolytumgebung. Typische Strukturen in dieser Arbeit bestehen aus vier Wiederholeinheiten, wobei jede aus einer Nanopartikelschicht und zehn Polyelektrolyt-Doppellagen (kationisches und anionisches Polyelektrolyt) zusammengesetzt ist. Die Stratizierung der Gold-Nanopartikellagen wurde mittels Röntgenreflektometrie-Messungen im Kleinwinkelbereich nachgewiesen, welche Bragg Reflexionen bis zur siebten Ordnung aufzeigen. Das ausgeprägte Kiessig Interferenzmuster dieser Messungen weist zudem auf eine geringe globale Rauheit hin, die durch Oberflächenanalysen mit einem Rasterkraftmikroskop bestätigt werden konnte. Diese geringe Rauheit resultiert aus den glättenden Eigenschaften der Polyelektrolyte, die die Herstellung von Multilagensystemen mit mehreren Partikellagen erst ermöglichen. Die Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops veranschaulicht eindrucksvoll die Anordnung der Partikel in einzelne Schichten. Durch photospektroskopische Messungen wurden die optischen Eigenschaften der Strukturen im UV- und sichtbaren Bereich untersucht. Beispielsweise wird eine Verschiebung und Verstärkung der Plasmonenresonanz beobachtet, wenn eine Goldnanopartikellage mit transparenten Polyelektrolyten beschichtet wird. Erst wenn die bedeckende Schicht dicker als die Reichweite der Plasmonen wird, bleibt die Absorption konstant. Die spektrale Reflektivität jedoch ändert sich auch mit jeder weiteren adsorbierten Polyelektrolytschicht. Die Reichweite der Plasmonenresonanz konnte auf diese Art für Partikel der Größe 10 nm, 20 nm und 150 nm bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden im Kontext einer Effektiven Mediums Theorie diskutiert. Die komplexe dielektrische Funktion einer Multilagenstruktur wurde zeitabhängig nach Laserpulsanregung für einen breiten spektralen Bereich bestimmt. Dazu wurden zuerst die Änderungen der Reflektivität und Transmittivität simultan mittels der Pump-Probe (Anrege-Abtast) Spektroskopie gemessen. Anschließend wurden aus diesen Daten, mithilfe eines Formalismus, der auf den Fresnelschen Formeln basiert, die Änderungen im Real- und Imaginärteil der dielektrischen Funktion ermittelt. Diese Methode eignet sich zur Bestimmung der transienten dielektrischen Funktion einer Vielzahl von Nanopartikelsystemen. Der rein experimentelle Ansatz ermöglicht es, effektive Medien Theorien und Simulationen der dielektrischen Funktion nach Laserpulsanregung zu überprüfen.

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

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

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von kolloidalen Templaten mit Hilfe der Layer-by-layer Technik beschrieben. Mit ihr ist es möglich, die Oberfläche der Template mit sehr dünnen und gut definierten Filmen zu versehen. Durch Auflösung der Template werden Kapseln hergestellt, die je nach Zusammensetzung der Beschichtung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
In this thesis the coating of colloid templates using the layer-by-layer technique is described. The surface of the templates is modified with thin, well defined films. After dissolving the templates, hollow capsules with different properties are obtained.

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

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

Der Adhäsionsprozess an Cellulosefasern sollte bis hin zur molekularen Ebene aufgeklärt werden. Zuerst wurde eine definierte Celluloseoberfläche durch Aufschleudern hergestellt und eingehend charakterisiert wurde. Die Beschaffenheit der Oberfläche ist stark abhängig von der Konzentration Celluloselösung, die für das Aufschleudern benutzt wurde. Für geringe Konzentrationen bildete sich ein Netzwerk von Cellulosefibrillen über die Siliziumoberfläche aus. In einem mittleren Bereich wurden geschlossene Filme mit Dicken zwischen 1,5 und ca. 10 nm erhalten. Diese Filme wiesen eine Rauhigkeit unter 2 nm auf, was der Größe eines Cellulosemoleküls entspräche. Mit höheren Konzentrationen wurden die Filme dicker und auch rauer.

Die molekular glatten Cellulosefilme wurden zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zwischen Celluloseoberflächen und ihrer Modifikation durch den Einfluss von Haftvermittlern (Polyelektrolyte) eingesetzt. Dafür wurde das Haftungsvermögen von Celluloseperlen auf der glatten Celluloseoberfläche analysiert. Die Adhäsion der Celluloseperlen hängt dabei von der Menge und von der Art des adsorbierten Polyelektrolyts ab. Geringe Polyelektrolytkonzentrationen ermöglichen wegen der teilweisen Bedeckung der Celluloseoberflächen eine Verstärkung der Haftvermittlung (Adhäsion). Höhere Konzentrationen an Polyelektrolyten bedecken die Celluloseoberfläche komplett, so dass die Symmetrie der Polyelektrolytadsorption entscheidend wird. Wenn Celluloseperlen und glatte Celluloseoberfläche gleichzeitig mit Polyelektrolyten beschichtet werden verringert sich bei hohen Konzentrationen die Adhäsion erheblich. Ein hohes Maß an Adhäsion wird dagegen erreicht, wenn nur eine der beiden gegenüberliegende Celluloseoberflächen separat beschichtet und dann in Kontakt mit der anderen gebracht Oberfläche wurde.

Der Einfluss einer äußeren Kraft auf die haftenden Celluloseperlen wurde untersucht, um eine Aussage über die auftretenden Adhäsionskräfte machen zu können. Dafür wurde eine spezielle Strömungszelle entwickelt, mit der die Bewegung von Celluloseperlen beobachtet werden kann. Je nach Ausrichtung der Strömungszelle bewegten sich die Celluloseperlen unterschiedlich schnell. War die Strömungszelle horizontal ausgerichtet, wirkte zusätzlich zur Adhäsionskraft noch die Gravitation auf die Oberfläche, so dass hier eine wesentlich langsamere Durchschnittsgeschwindigkeit ermittelt wurde als für die Messungen in vertikaler Ausrichtung.

Die Zugabe von verschiedenen Polyelektrolyten bei den Messungen mit der Strömungszelle hatte einen erheblichen Einfluss auf die Beweglichkeit der haftenden Celluloseperlen. Bei geringen Polyelektrolytkonzentrationen wurde das Potential der einzelnen Polyelektrolyten zur effektiven Haftvermittlung durch eine signifikant geringere Durchschnittsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen sichtbar. Aus der kritischen Anfangsgeschwindigkeit der rollenden Celluloseperlen wurde die Adhäsionsarbeit errechnet, die für die Bewegung nötig ist.
The process of adhesion of cellulose fibres should be revealed down to a molecular level. Therefore, a well defined cellulose surface was prepared and then characterized. Cellulose was deposited on silicon wafer surfaces via spin coating from a solution of cellulose in dimethylacetamide (including 7% (w/w) lithium chloride). The resulting cellulose layers were analyzed by ellipsometry, AFM, FTIR, ICP-MS, x-ray reflectivity, and contact angle measurements. The texture of the prepared cellulose surfaces depends strongly on the used cellulose solution for spin coating process. For cellulose concentrations below 0.07wt% the wafer surfaces are covered with a network of cellulose fibrils. For concentrations between 0.07 and 0.5 wt%, closed films with thicknesses between 1.5 and ca. 10 nm are obtained. These films are molecularly smooth (rms roughness < 2nm). Higher concentrations result in thicker films with significantly rougher surfaces (rms roughness >2nm). The cellulose layers were used to investigate cellulose/cellulose adhesion and their modification by polyelectrolytes. To this end the sticking behavior of cellulose beads was analyzed. It is demonstrated that the adhesion of the beads depends on the type, amount, and adsorption symmetry of adsorbed polyelectrolyte. Low, incomplete polyelectrolyte coverage always enhances adhesion, whereas for high coverage the symmetry of the polyelectrolyte coating is very important. In this case, adhesion is enhanced if only one surface is covered with polyelectrolyte prior to contact. If both surfaces were fully covered with polyelectrolytes before contact adhesion is decreased. Flexible and cationic polyelectrolytes are the most potent candidates for this usage.

The influence of an external force on the adhered cellulose beads was investigated to extimate the occurring adhesion forces. A special flow chamber was developed, in order to track the movements of cellulose beads rolling over a flat cellulose film. A constant water stream was applied as external force. The alignment of the flow chamber in reference to lab floor has an considerable influence on the speed of the rolling cellulose beads. If the flow chamber was aligned in the horizontal position, then gravity acts in addition to the adhesion force onto the surface. Thus, here were measured a substantial lower average speed of cellolude beads as it was measured for the vertical alignment of the flow chamber. The influence of gravity on the rolling friction of the cellulose beads could be prooved by modelling the rolling friction to HERTZ’s law and by evaluating statistically the movement vectors of the cellulose beads. As an another result of this findings one can estimate the occurring adhesion forces and energies.

The addition of different polyelectrolytes to the water stream used in measurements with the flow chamber had a substantial influence on the mobility of adhered cellulose beads. At high concentrations of polyelectrolyte sticked so many beads at the cellulose surface, that it was not possible to interpret the data reasonable. Low concentrations enables the potential of the invidual polyelectrolyte to be a effictive binding agent. Here, a significant lower average speed of cellulose beads rolling over a cellulose surface was observed by all used polyelectrolytes but most by a flexible and cationic one.

Die ellipsometrische Lichtstreuung wird als eine neue, leistungsfähige Methode zur Charakterisierung von Schichten um kolloidale Partikel vorgestellt. Theoretische Grundlage der Methode ist die Mie-Theorie der Lichtstreuung. Experimentell wurde die Polarisationsoptik eines Null-Ellipsometers in den Strahlengang eines Lichtstreuaufbaus eingebaut. Wie in der Reflexionsellipsometrie um den Brewsterwinkel herum erhält man in der ellipsometrischen Streuung einen Winkelbereich, in dem die Methode empfindlich auf Schichten an der Oberfläche der Partikel ist. An verschiedenen Systemen wurde die Tauglichkeit der ellipsometrischen Streuung zur Charakterisierung von Schichten auf Partikeln demonstriert. So wurden Dicke und Brechungsindex einer thermosensitiven Schicht von Poly(N-isopropylacrylamid) auf einem Poly(methylmethacrylat)-Kern bestimmt. Damit ist es möglich, experimentell den Schichtbrechungsindex und damit den Quellungsgrad zu bestimmen. Des Weiteren wurde der Einfluss der NaCl-Konzentration auf die Polyelektrolythülle von Poly(methylmethacrylat)-Poly(styrolsulfonat)-Blockcopolymer-Partikeln untersucht. Die Polyelektrolytketten liegen im hier untersuchten Beispiel nicht gestreckt vor. Als drittes wurde die Verteilung von niedermolekularen Ionen um elektrostatisch stabilisierte Poly(styrol)-Latexpartikel in Wasser untersucht. Hier wurde gezeigt, dass die beobachteten Schichtdicken und Schichtbrechungsindizes viel größer sind, als nach der klassischen Poisson-Boltzmann-Theorie zu erwarten ist. Des Weiteren wurde die Doppelbrechung von unilamellaren Lipidvesikeln bestimmt. Außerdem wurden Messungen der dynamische Lichtstreuung im Intensitätsminimum der Ellipsometrie durchgeführt. Dabei wird ein Prozess mit einer Korrelationszeit, die unabhängig vom Streuvektor, aber abhängig von der verwendeten Wellenlänge ist, sichtbar. Die Natur dieses Prozesses konnte hier nicht vollständig geklärt werden.
Ellipsometric light scattering is introduced as a new and powerful technique to characterize layers on colloidal particles. For the experiments, the polarization optics used reflection ellipsometry was installed in the beam of a light scattering setup. Using the priciples of null ellipsometry, a small range of scattering angles is obtained, were the method is sensitive to layers on the surface of colloidal particles. This is an analogy to the layer sensitivity of reflection ellipsometry at planer interfaces close to the Brewster angle. The theoretical basis for ellipsometric scattering is the Mie theory with its modern supplements. The feasibility of characterizing layers on colloidal particles was demonstrated with several systems. First, layer thickness and layer refractive index of poly(N-isopropylacrylamide) layers on a poly(methylmethacrylate) core were determined. This was the first time that the refractive index and with that the degree of swelling of a layer was directly determined in an scattering experiment. Second, polyelectrolyte layers on Poly(methylmethacrylate)-Poly(styrenesulfonate)-blockcopolymer particles were characterized. The influence of the salt concentration on the parameters of the layer was determined. The results show that the polyelectrolyte chains in the system investigated are not streched. Third, layers of ions around electrostatically-stabilized poly(styrene) particles were characterized. The layer thickness and layer refractive index in these examples are shown to be much larger than predicted by the classical Poisson-Boltzmann-theory. In addition, the birefringence of lipid vesicles was determined. Another interesting application of the ellipsometric scattering is the dynamic light scattering with ellipsometric optics. Its results show a characteristic process with a correlation time independent of the scattering vector, but wavelength dependent. The origin of this mode is not yet completely clarified.

This diploma thesis is focused on determination of aggregation behavior of selected phospholipids (lecithin; 1,2-dipalmitoyl-sn-glycerol-3-phosphocholine) in water and on the effect of native hyaluronan addition of various molecular weights and concentrations on this behavior. The behavior has been investigated with fluorescence spectroscopy using pyrene and perylene as fluorescence probes being able to penetrate into hydrophobic cavities of formed aggregates. Critical aggregation concentration and the concentration at which lecithin begins to aggregate have been determined. Regarding 1,2-dipalmitoyl-sn-glycerol-3-phosphocholine, it was possible to determine only the beginning of aggregation value. The values of this parameter for lecithin and for 1,2-dipalmitoyl-sn-glycerol-3-phosphocholine correspond in the order. It has been investigated, that the addition of native hyaluronan has only in some systems slight effect on the aggregate behavior of selected phospholipids.

Gegenstand der Dissertation ist die größen- und eigenschaftsoptimierte Synthese und Charakterisierung von anorganischen Nanopartikeln in einer geeigneten Polyelektrolytmodifizierten Mikroemulsion. Das Hauptziel bildet dabei die Auswahl einer geeigneten Mikroemulsion, zur Synthese von kleinen, stabilen, reproduzierbaren Nanopartikeln mit besonderen Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit wurde in zwei Haupteile gegliedert. Der erste Teil befasst sich mit der Einmischung von unterschiedlichen Polykationen (lineares Poly (diallyldimethylammoniumchlorid) (PDADMAC) und verzweigtes Poly (ethylenimin) (PEI)) in verschiedene, auf unterschiedlichen Tensiden (CTAB - kationisch, SDS - anionisch, SB - zwitterionisch) basierenden, Mikroemulsionssysteme. Dabei zeigt sich, dass das Einmischen der Polykationen in die Wassertröpfchen der Wasser-in-Öl (W/O) Mikroemulsion prinzipiell möglich ist. Der Einfluss der verschiedenen Polykationen auf das Phasenverhalten der W/O Mikroemulsion ist jedoch sehr unterschiedlich. In Gegenwart des kationischen Tensids führen die repulsiven Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer Destabilisierung des Systems, während die ausgeprägten Wechselwirkungen mit dem anionischen Tensid in einer deutlichen Stabilisierung des Systems resultieren. Für das zwitterionische Tensid führen die moderaten Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer partiellen Stabilisierung. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der unterschiedlichen, Polyelektrolyt- modifizierten Mikroemulsionen als Templatphase für die Herstellung verschiedener, anorganischer Nanopartikel. Die CTAB-basierte Mikroemulsion erweist sich dabei als ungeeignet für die Herstellung von CdS Nanopartikeln, da zum einen nur eine geringe Toleranz gegenüber den Reaktanden vorhanden ist (Destabilisierungseffekt) und zum anderen das Partikelwachstum durch den Polyelektrolyt-Tensid-Film nicht ausreichend begrenzt wird. Zudem zeigt sich, dass eine Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion nicht möglich ist. Die SDS-basierten Mikroemulsionen, erweisen sich als geeignete Templatphase zur Synthese kleiner anorganischer Nanopartikel (3 – 20 nm). Sowohl CdS Quantum Dots, als auch Gold Nanopartikel konnten erfolgreich in der Mikroemulsion synthetisiert werden, wobei das verzweigte PEI einen interessanten Templat-Effekt in der Mikroemulsion hervorruft. Als deutlicher Nachteil der SDS-basierten Mikroemulsionen offenbaren sich die starken Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und den Polyelektrolyten während der Aufarbeitung der Nanopartikel aus der Mikroemulsion. Dabei erweist sich die Polyelektrolyt-Tensid-Komplexbildung als hinderlich für die Redispergierung der CdS Quantum Dots in Wasser, so dass Partikelaggregation einsetzt. Die SB-basierten Mikroemulsionen erweisen sich als günstige Templatphase für die Bildung von größen- und eigenschaftenoptimierten Nanopartikeln (< 4 nm), wobei insbesondere eine Modifizierung mit PEI als ideal betrachtet werden kann. In Gegenwart des verzweigten PEI gelang es erstmals ultrakleine, fluoreszierende Gold Cluster (< 2 nm) in einer SB-basierten Mikroemulsion als Templatphase herzustellen. Als besonderer Vorteil der SB-basierten Mikroemulsion zeigen sich die moderaten Wechselwirkungen zwischen dem zwitterionischen Tensid und den Polyelektrolyten, welche eine anschließende Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion unter Erhalt der Größe und ihrer optischen Eigenschaften ermöglichen. In der redispergierten wässrigen Lösung gelang somit eine Auftrennung der PEI-modifizierten Partikel mit Hilfe der asymmetrischer Fluss Feldflussfraktionierung (aF FFF). Die gebildeten Nanopartikel zeigen interessante optische Eigenschaften und können zum Beispiel erfolgreich zur Modifizierung von Biosensoren eingesetzt werden.
This work is focused on the formation, recovery and characterisation of inorganic nanoparticles in a tailor-made polycation-modified reverse microemulsion. The main aim is the choice of an adequate microemulsion for the synthesis of small, uniform, reproducible nanoparticles with specialn characteristics. The first part is focused on the incorporation of two different polycations, low molecular weight linear poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) and low molecular weight branched poly(ethyleneimine) (PEI) in different surfactant-based (CTAB – cationic, SDS – anionic, SB - zwitterionic) w/o microemulsions. In principle the incorporation of the polycations in the small water droplets is possible, but the influence of the polycations on the phase behaviour is different. Repulsive interactions induce a destabilisation of the w/o microemulsion for cationic surfactant CTAB, while the distinctive interactions between the anionic surfactant SDS and the polycations induce an extension of the phase range and a considerable stabilisation. In case of zwitterionic surfactant SB a partial destabilisation can be observed, according to the lower interactions with the polycations. The second part is focused on the formation of different, inorganic nanoparticles in these polyelectrolyte-modified reverse microemulsions as a template phase. The CTAB-based microemulsion is not adequate for the formation of CdS nanoparticles, according to the low tolerance towards the reactants (destabilisation effect). Furthermore the particle growth cannot be limited by the surfactant-polycation-film and a recovery of the nanoparticles from the microemulsion is not possible. The results show that the SDS-based quaternary template phase consisting of water, toluene-pentanol (1:1), and the anionic surfactant SDS in presence of PEI or PDADMAC can be successfully used for the synthesis of polymer capped inorganic nanoparticles (3 – 20 nm). CdS quantum dots, as well as gold nanoparticles are successfully synthesised in the microemulsion droplets. Especially PEI acts as a reducing and stabilizing agent and shows an additional, interesting template effect in the microemulsion. Unfortunately a recovery of the nanoparticles without a particle aggregation is not possible due to the strong surfactant polycation interactions, which lead to polycation-surfactant complexes. The SB-based microemulsion can be successfully used as a tailor-made polycation-modifiedreverse microemulsion for the formation of small, uniform nanoparticles (< 4 nm) with special characteristics. Especially a modification with PEI is optimal and for the first time small, fluorescent gold cluster (< 2 nm) can be synthesised in a SB-based microemulsion as template phase. The results show that the electrostatic interactions between the polycation and the surfactant are of high relevance especially in the solvent evaporation and redispersion process. That means only in the case of moderate polycation-surfactant interactions a redispersion of the polymer capped particles without problems of aggregation is possible and the size and characteristics are unchanged in the redispersed solution. By means of asymmetric flow field flow fractionation (af-fff) it becomes possible to separate the two cluster fractions from each other as well as from the nanoparticle fraction with diameter > 5 nm. This opens a way to use the nanoparticles with their interesting, optical characteristics in different new fields of application for example for modification of biosensors.

This diploma thesis is focused on two parts. The first one deals with rheological behavior of sodium carboxymethylcellulose (CMC-Na) solutions in the presence of sodium and calcium ions. The solutions of various concentrations were prepared by solubilization in aqueous solutions of NaCl or CaCl2. The effect of monovalent and bivalent ions on apparent viscosity and viscoelastic properties of these solutions was studied. It was found that in the case of low concentrations of CMC-Na in the sample (up to 0.5% w/w) the elastic character increases. At the same time the stiffness of the sample is higher with higher concentration of calcium ion in the solution. This increase might indicate the formation of gel network. On the other hand the viscosity of these solutions decreases with higher concentration of calcium ions. In case of solutions with concentration higher than 1.5% w/w changes of viscosity did not happen by influence of addition ions. Rheological behavior was compared also with solutions prepared without adding an electrolyte as well as with acid form of carboxymethylcellulose (CMC-H). In terms of second part the molecular dynamic simulations of hyaluronan tetramer both sodium and calcium in aqueous medium were performed. Structure and arrangement of water molecules in the surrounding of hyaluronan chain were studied. Structure was described by formalism of radial distribution functions. In the case of system containing sodium ions only, the obtained results are in accordance with earlier published data. Presence of calcium ions does not cause qualitative changes during the radial distribution functions in comparison with the system with sodium ions.

The study deals with interactions of polyelectrolytes polystyrene sulfonate and hyaluronic acid with nitrogenic amphiphilic substances, represented by lysine and albumine. To study the interactions pH-metry, conductance, viscositic and turbidity measurement, DLS and reometry were used. All mixtures of different concentrations were measured and the data were compered with data obtained from measurement of samples with amphiphilic sumstances without polyelectrolytes. Observed interactions occured in the aminoacid concentrations between 0 to 20 mmoldm-3, then the PSS interaction groups were fully bonded by lysine and no more interactions were recognized. The same behaviour were observed in albumine solutions with concentration under 2 gdm-3.

In this diploma thesis, the interactions between polyelectrolyte and surfactant at low and also at high concentration were studied. There was used pyrene as fluorescent probe during the fluorescence spectroscopy measurement, a cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide and as a main polyelectolyte has been chosen sodium polystyrene sulfonate at 1 MDa molecular size. In the medium containing 0.15 M NaCl we could observed a creation of the complexes – precipitates in the surrounding of CMC concentration and behind of this concentration. In the mixtures containing sodium polystyrene sulfonate and hyaluronan together, there was stronger tend to keep aggregation properties of sodium polystyrene sulfonate during difference concentration ratios. Beyond CMC concentration, hyaluronan starts to influence the aggregation properties of the system as well.

This Master thesis investigates the interaction between the polysaccharide sodium hyaluronate (HA) and some amphiphilic molecules. It is known that the presence of the carboxylic group on HA and the aminogroup on the amphiphiles leads to electrostatic interaction between these two compounds. This supposal offers the possibility to physically modify HA and use it as a new type of a carrier of bioactive compounds, for example medicals. However, successful carrier of bioactive compound has to resist a certain value of ionic strength. The high-molecular weights HA (1.75MDa) and amphiphile lysine were chosen for the study of the influence of ionic strength on the system HA – amphiphile. Our results show that system HA – amphiphile system is suppressed even by low concentrate solution of electrolyte. Therefore the system was reinforced by protonation of the aminoacid. The results show, that the interactions were reinforced, nevertheless negative influence of chlorine anions had to be eliminated by lyophilization. The solutions with strengthened system HA – amphiphile were used for the research of ionic strength influence. The amphiphiles lysine, 6 - aminocaproic acid and arginine were selected for this study. The interactions were investigated by means of reometry and conductometry.

This work is focused on physical interactions of negatively charged polymers with small ionogenic fluorescent molecules. Trying to verify the presence of these interactions using fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and provides a comprehensive view of the problem. The aim of this work is to observe the effect of concentration on the diffusion properties. P/D ratio, where P represents number of polymer binding sites and D number of dye binding sites, was chosen for this issue. Hyaluronate, sodium chondroitin sulfate and sodium polystyrene sulfonace were used as polymers and Acridine Orange, and Rhodamine 6G were chosen as fluorescent probes. The reason why this experiment uses these probes, was the assumption, that the positive charge occuring on the fluorescent probe will lead to the electrostatic interaction with the negatively charged polymer. As a result, the bond between acridine orange and polyelectrolyte was not clearly demonstrated, but the interaction with Rhodamine 6G have been proved.