0 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 1 1 BIOSENSOREN 4 2 MASSENSENSITIVE SENSOREN 9

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Gregor Arnold
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1 0 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 1 1 BIOSENSOREN Einteilung von Sensorsystemen nach den Prinzipien der Signalübertragung Kalorimetrische Sensoren Elektrochemische Sensoren Optische Sensoren Akustische Sensoren Biochemische Erkennungsprinzipien 7 2 MASSENSENSITIVE SENSOREN Einteilung massensensitiver Sensoren Oberflächenwellen-Sensoren (SAW-Sensoren) Pseudo Oberflächenwellen-Sensoren Akustische Platten-Modus-Sensoren (APM-Sensoren) Biege-Plattenwellen-Sensoren (FPW-Sensoren) Volumenwellen-Sensoren (BAW-Sensoren) Grundlagen der Quarzmikrobalance (QMB) Piezoelektrische Eigenschaften von Quarzkristallen Schwingungsverhalten von Quarzen Nebeneffekte bei QMB-Untersuchungen in Flüssigkeiten Modelle zur Beschreibung des Schwingungsverhaltens Entwickung der experimentellen Basis Oszillatorschaltung Entwicklung der Meßzelle 19 3 ANWENDUNGEN DER QUARZMIKROBALANCE Einleitung Anwendungen in Gasen QMB-Biosensoren in Flüssigkeiten Immunosensoren Adsorption, Immobilisierung und Hybridisierung von Nucleinsäuren Kinetik enzymatischer Reaktionen Adhäsion und Wachstum von Biofilmen Rezeptorwechselwirkungen auf Quarzresonatoren Kommerzielle Anwendungen von QMB-Sensoren 35

1.2 Pseudo Oberflächenwellen-Sensoren 10 2.1.3 Akustische Platten-Modus-Sensoren (APM-Sensoren) 11 2.1.4 Biege-Plattenwellen-Sensoren (FPW-Sensoren) 11 2.1.5 Volumenwellen-Sensoren (BAW-Sensoren) 12 2.

2 4 MODIFIZIERUNG DER SENSOROBERFLÄCHEN Verfahren zur Immobilsierung von Proteinen Silanisierung der Sensoroberflächen Protein A-Gold Methode Immobilisierung von Proteinen mit Succinimiden Polymere zur Immobilisierung von Proteinen Einfache experimentelle Beschichtungstechniken Auftropfmethode Air-Brush Verfahren Weitere Methoden Diskussion Selbstorganisierende Schichten an Goldelektroden Einleitung Adsorption von Thioalkoholen an Goldelektroden Randwinkeluntersuchungen Ellipsometrische Schichtdickenbestimmungen Diskussion Anwendung der Langmuir-Blodgett Technik Begriffe Filmwaagetechnik Eigenschaften der untersuchten LB Filme Diskussion Zusammenfassende Diskussion 54 5 MAKROCYCLISCHE MODELLREZEPTOREN ALS SCHICHTMATERIALIEN Wechselwirkungen von Ammoniumsalzen mit einem modifizierten Calix[4]aren Cavitanden als vielseitige molekulare Rezeptoren Einführung Adsorptionsverhalten im wässrigen Medium Zusammenfassung 61 6 ENZYMADSORPTIONEN AN TRÄGERFIXIERTE PHOSPHOLIPIDE Zielstellung Enzym-Substrat Wechselwirkungen Erprobung geeigneter Beschichtungstechniken Strukturabhängigkeit von Enzym-Substrat Wechselwirkungen 66

3 Selbstorganisierende Schichten an Goldelektroden 41 4.3.1 Einleitung 41 4.3.2 Adsorption von Thioalkoholen an Goldelektroden 42 4.3.3 Randwinkeluntersuchungen 44 4.3.4 Ellipsometrische Schichtdickenbestimmungen 46 4.

3 6.3 Enzymatische Hydrolyse von Phospholipiden Titration der Spaltprodukte mit der ph-stat Methode Massensensitive Untersuchungen an Multischichten Zusammenfassung 71 7 GLYCOLIPIDMATRICES ZUM NACHWEIS VON CHOLERATOXIN Zielstellung Adsorption von Choleratoxin an modifizierte Sensoroberflächen Durchführung der Experimente Optimierung der Adsorption an einer G M1 /Phospholipid-Matrix Adsorptionsverhalten an verschiedenen Gangliosidfraktionen Wechselwirkungen mit G M1 - und CT- Antikörpern Zusammenfassung 78 8 ADSORPTIONSVERHALTEN SUPRAMOLEKULARER LIPIDSYSTEME Sorptionsverhalten lectingekoppelter Liposomen Zielstellung Herstellung von Liposomen Adhäsion und Fusion von Liposomen an Schwingquarzen Zusammenfassung Spezifische Adsorption an trägerfixierten Bilayern Modifizierung der Beschichtung Einfluß der vesikulären Struktur auf das Bindungsverhalten Inhibierung der Liposomen Zusammenfassung Stabile Mischmicellen als Modellsysteme Einleitung Adsorption micellarer Systeme an Modellmembranen Beurteilung der Nachweisbarkeit von Lipidadsorptionen 93 9 EXPERIMENTELLER TEIL Verfahren zur Beschichtung von Schwingquarzen Reinigung der Sensoren Auftropfmethode Air-Brush Verfahren Silanisierung nach Suri et al. [] Beschichtung mit Polyethylenimin Self-Assembling (SA) Verfahren Filmwaage (LB) Technik 97

2.2 Optimierung der Adsorption an einer G M1 /Phospholipid-Matrix 74 7.2.3 Adsorptionsverhalten an verschiedenen Gangliosidfraktionen 75 7.2.4 Wechselwirkungen mit G M1 - und CT- Antikörpern 77 7.

4 9.2 Analytische Verfahren zur Untersuchung von dünnen Schichten Atomkraftmikroskopie Kontaktwinkelmessungen Schichtdickenbestimmung Fluoreszenzuntersuchungen Makrocyclische Modellrezeptoren Beschichtung mit Calix[4]aren Versuchsdurchführung Beschichtung mit Cavitanden Versuchsdurchführung und Ergebnisse Enzymatische Reaktionen Beschichtungen Durchführung der QMB-Untersuchungen Durchführung der ph-stat Messungen Wechselwirkungen an Gangliosid-modifizierten Oberflächen Beschichtung Durchführung Adsorptionen supramolekularer Lipidsysteme Herstellung von Liposomen Herstellung von Mischmicellen Adsorptionen vesikulärer Systeme Adsorptionen micellarer Systeme Herstellung von Thioalkoholen [] Mercaptoundecanol Thiolipide ZUSAMMENFASSUNG 116 LITERATURVERZEICHNIS 130

4 Enzymatische Reaktionen 105 9.4.1 Beschichtungen 105 9.4.2 Durchführung der QMB-Untersuchungen 105 9.4.3 Durchführung der ph-stat Messungen 106 9.

5 Verzeichnis der Abkürzungen Verzeichnis der Abkürzungen σ ε 22 θ ADV λ q ρ q η q mechanische Spannung Dielektrizitätskonstante Fortschreitrandwinkel akustische Wellenlänge Dichte der Quarzkristalle dynamische Viskosität von Quarzen µ q Schermodul von Quarzkristallen θ REC APM BAW BVD C CMC ConA CT DPPC DPPE d q DSPC E 0 F FPW f q FS IDT ISFET K 0 K Ass L LB logp Oct MBA M F m q NaC NaDC N-glut-PE Rückzugsrandwinkel Akustischer Plattenmodus Bulk Acoustic Waves (akustische Volumenwellen) Butterworth-Van-Dyke-Modell Kapazität kritische Micellbildungskonzentration ConcanavalinA Choleratoxin 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-phosphatidylcholin 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-phosphatidylethanolamin Dicke der Quarzscheibe 1,2-Distearoyl-sn-glycero-phosphatidylcholin Standardpotential Faraday-Konstante Flexural Plate Waves (Biegeplattenwellen) Resonanzfrequenz von Schwingquarzen Fettsäure Interdigital Transducer Ionenselektive-Feldeffekt-Transistoren piezoelektrischer Koppelfaktor Assoziationskonstante Induktivität Langmuir-Blodgett-Technik Verteilungskoeffizient Wasser/Octanol N,N -Methylen(bisacrylamid) Massendichte Masse der Quarzkristalle Na-Cholat Na-Desoxycholat N-glutaryl-phosphatidylethanolamin

N-glut-PE Rückzugsrandwinkel Akustischer Plattenmodus Bulk Acoustic Waves (akustische Volumenwellen) Butterworth-Van-Dyke-Modell Kapazität kritische Micellbildungskonzentration ConcanavalinA

6 Verzeichnis der Abkürzungen P PAA PAC PC PEG PL QMB R SA SAW SPR T Tris v q z AFM SPC Chol Polarisation Polyacrylamid Polyacrylcholat Phosphatidylcholin (Lecithin) Polyethylenglycol Phospholipase Quarzmikrobalance ohmscher Widerstand Self-Assembling-Verfahren Surface Acoustic Waves (akustische Oberflächenwellen) Surface Plasmon Resonance Temperatur Tris(hydroxymethyl)-aminomethan Geschwindigkeit der Ausbreitung akustischer Wellen (Schallgeschwindigkeit) Ladungszahl Atomic Force Microscopy (Atomkraftmikroskopie) NBD-PC 1-Hexadecanoyl-2-[N-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl)amino-hexanoyl]-snglycero-3-phosphocholin Soja-phosphatidylcholin Cholesterin

Plasmon Resonance Temperatur Tris(hydroxymethyl)-aminomethan Geschwindigkeit der Ausbreitung akustischer Wellen (Schallgeschwindigkeit) Ladungszahl Atomic Force

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