| License: Publishing license for publications excluding print on demand (34MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-332119
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.33211
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Number of Pages: | 201 |
| Date: | 22 January 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Wegener |
| Date of exam: | 22 January 2016 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Bioanalytik und Biosensorik (Prof. Joachim Wegener) |
| Keywords: | Carbon Dots, Multicolor Imaging, Nanoparticles, Carbon |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 33211 |
Abstract (English)
The hydrothermal preparation of N-doped C-dots from starch and L-tryptophan which was developed and optimized represents a simple and sustainable synthetic method to obtain a highly interesting carbon nanomaterial for bioanalytical applications. These particles exhibit a size distribution between 0.5 and 4.5 nm with an average size of (1.6 ±0.8) nm. They furthermore show a high functionalization ...
Abstract (English)
The hydrothermal preparation of N-doped C-dots from starch and L-tryptophan which was developed and optimized represents a simple and sustainable synthetic method to obtain a highly interesting carbon nanomaterial for bioanalytical applications. These particles exhibit a size distribution between 0.5 and 4.5 nm with an average size of (1.6 ±0.8) nm. They furthermore show a high functionalization with oxygen containing-groups, remnants from the precursor molecules, which renders them highly water-dispersible. This is in accordance to the elemental composition of 44.9% C, 6.1% H, 1.1% N and 47.9% O. The experimental evidence suggests that mainly hydroxyl and carboxyl groups cover the C-dots surface, resulting in a slightly negative charged surface with a zeta potential of (-9.3 ± 3.5) mV at physiological pH.
Based on the functionalization with different chemical groups on the surface, the C-dots are incorporated into mammalian cells in a time range of minutes via endocytosis. Probably, the particles are internalized via unspecific pinocytosis due to their ultra-small size, inducing vesicle-mediated incorporation. Receptor-mediated endocytosis cannot be excluded, but is not suggested due to the high selectivity of the receptors. In addition to this, hints indicating further uptake mechanisms such as simple diffusion across the membrane have been gathered. The ultra-small dimensions of these nanoparticles, together with their unique surface may be responsible for the high translocation rates through cell layers observed for several mammalian cell lines. The high penetration rates and the ultra-fast uptake into cells outline the applicability of these C-dots as probes or contrast agents for imaging studies.
Biocompatibility is a necessary criterion for the utilization of this novel nanomaterial in cell imaging. The verification of this quality presented a mixed picture for the C-dots. Thereby, cytotoxicity evaluations clearly showed a “critical concentration” of about 1.1 mg/mL for the long-term incubation of NRK cells over days. Higher particle concentrations induced apoptosis among the cells, while lower concentrations left the NRK cells mostly unaffected. Furthermore, cell adhesion, proliferation and migration were dose-dependently delayed in permanent presence of the particles. However, the staining and loading of NRK cells as necessary for the developed applications requires only shortest incubation times in the range of minutes. Thus C-dot stained NRK cells did not show any sign of cytotoxicity. Additionally, migration, as example among impairments of cell behavior, showed only marginal affection for such loaded NRK cells. Accordingly, C-dots may be considered as biocompatible, based on the right choice of concentration and incubation time (typically 1.0 mg/mL for 30 – 60 min) for the respective application.
A thorough investigation of the C-dots optical properties revealed unique features of this novel material. Aqueous C-dot suspensions typically exhibit quantum yields of (25.1 ± 2)%. This is about thirty-fold higher than quantum yields of undoped C-dots from starch and may be attributed to the N-doping through the addition of Trp. Since the addition of Trp inducing the formation of larger particles, the amino acid most likely also enables the formation of highly emissive species. Low concentrated suspensions of the N-doped C-dots have their excitation maximum at about 370 nm and exhibit bright blue luminescence with an emission maximum at about 450 nm. Fluorescence is heavily concentration dependent and the excitation wavelength can be varied presumably leading to emission from different C-dot species. Increasing particle concentration in aqueous suspension is suggested to induce reabsorption of emitted light and/or self-quenching among the emitting species. This results in red-shifted fluorescence emission for higher C-dot concentration. The studies of the particles fluorescence at the excitation wavelengths of the CLSM laser wavelengths 405, 488 and 543 nm showed that this phenomenon might be used for the tracking of local concentrations of C-dots via imaging. Bright blue emission is observed for low concentrations at 405 nm excitation. High particle concentrations result in an emission-shift from blue to green with excitation at 405 nm. Furthermore, the green emission upon excitation at 488 nm becomes most prominent.
These spectral characteristics can be documented nicely by, utilizing C-dots as fluorescence contrast agent for the imaging of mammalian cells via CLSM. Thereby, local accumulation of C-dots was concluded from the red-shifted fluorescence emission of the particles in suspension at higher concentrations. Similarly to the studies in suspension, the emission shifts from blue to green upon particle accumulations for excitation at 405 nm. Furthermore, the emission intensities rise for higher particle amounts upon excitation at 488 and 543 nm. Living cells were shown to take up C-dots in low concentration mostly via endocytosis, resulting in a blue luminescent cytoplasm upon 405 nm laser excitation, with most of the particles entrapped in vesicles. Dead cells by contrast, exhibited green luminescent nuclei with highest intensities under excitation with the 488 nm laser. This may be attributed to the accumulation of C-dots in the cell nuclei through binding to DNA, resulting in the emission shift. Cells that have lost plasma membrane integrity and underwent cell death enable the direct contact between their nuclei and the bulk phase. As such, C-dots, being not entrapped in vesicles may freely diffuse through the nuclear pore complex and accumulate therein. Furthermore, the binding between C-dots and the DNA is suggested to change the emission properties of the particles, which also contributes to the different coloration.
Utilizing both lasers, the 405 nm laser for the blue luminescence of living cells cytoplasm and the 488 nm laser for the dead cells nuclei, allowed the application of C-dots within a Live-Dead-Assay. This gives the same information as commercial available staining kits to distinguish between living and dead cells via imaging. Having proven the independency of the C-dot based readout from the cell death inducing toxicant, the C-dots can furthermore be utilized for the determination of EC50values for a selected toxicant via CLSM imaging. Thereby, the ratio between the green and blue fluorescence intensities at the respective laser excitation could be used as measure for cytotoxicity. The method may be applied on cytotoxicity evaluations for several mammalian cell lines. For NRK cells treated with tBuOOH, for example, the green/blue intensity ratio changed from about 0.1 for healthy cells to about 1.5 for completely dead cells. Additionally, it could be shown that the utilization of the C-dot staining of living and dead cells is not limited on CLSM, but can also be analyzed via FACS. Besides cytotoxicity evaluations, C-dots might be used for the imaging of living and dead cells in MCS as tissue models. As such, also the application of the particles in tissues seems promising.
Besides luminescence, the C-dots were found to effectively generate reactive oxygen species (ROS) upon long-term photo-excitation. Thereby, the particles combine every necessary requirement for a photodynamic therapy agent: good water-dispersibility, fast internalization into cells and efficient ROS generation. This was used to selectively subject NRK cells to photodynamic treatment through the photo-excitation of both, C-dots in the bulk phase and internalized particles. It was demonstrated that besides near-UV, also the blue light irradiation may cause phototoxicity. As such, irradiation conditions of applications using C-dots as photodynamic agents are variable. The photogeneration of ROS by internalized C-dots is suggested to result in oxidation of the phospholipids of the vesicles surrounding the incorporated particles. As such, C-dots are suggested to be released from endosomes and generate ROS throughout the whole cell. This induces cell death via apoptosis, which was proven through Annexin V binding studies. Interestingly, released cell-internal C-dots were observed to stain the nuclei of dying cells from the inside even before Annexin V bound to those cells membranes.
In a “theranostic” approach with C-dots, the particles’ ability to stain dead cells’ nuclei from the inside together with cell death inducing ROS generation upon photo-excitation was combined. NRK cells were loaded with C-dots through short-term incubation. Target cells were subjected to controlled photodamage via photo-excitation of internalized C-dots for several minutes. This could be performed on large cell areas via epiluminescence microscopy with UV excitation (330 – 380 nm) and on single cell level via CLSM laser excitation at 405 nm. The subsequent analysis of the cells via CLSM allows the explicit control of the treatment through the changed optical properties of the internalized C-dots for dead cells. Thereby, the internalized C-dots undergo the same red-shift through binding and accumulation in the cells’ nuclei DNA as described for the C-dot staining from the bulk phase. Non-treated NRK cells exhibit a blue luminescent cytoplasm, upon 405 nm excitation, while the nuclei of those cells subjected to the photodynamic therapy appear green with 488 nm excitation. Accordingly, the C-dots do not only allow the active therapy of target cells, but also diagnosis on the effort of the treatment – theranostic. Studies on MCF-7 MCS as breastcancer tumor models showed that this approach may also be applied on such large cell aggregates. Therefore, C-dots have to be considered as promising theranostic agents in cancer therapy of living organisms.
In side projects of this work, the C-dots were embedded into other nano-sized structures and chemically modified in order to demonstrate possible applications of the particles. Among these, the embedding into agarose nanoparticles was utilized for the optical observation of osmolarity changes based on fluorescence self-quenching in confined volumes. Thereby, fluorescence intensity increases of 15% were observed for the addition of 1 M osmolyte. Although this represents a poor sensitivity, the experiments show a fundamental possibility for future applications of the particles. Additionally, liposomes were investigated as transport vehicles for C-dots into NRK cells. Thereby, internalization of the particles was observed, most likely through a different uptake-mechanism, compared to free C-dots. These studies may be considered as first steps towards the incorporation into target cells. Also the chemical modification of the C-dots is meant to show principle application possibilities for the particles. The modification with oleic acid drastically changed the physicochemical and optical properties of the C-dots. As such, the binding to DNA, for example, is unlikely and not observed. Although, the applied thionyl chloride chemistry may be considered as harsh, this modification route may be utilized for promising surface modifications of the particles.
Concerning the inconsistencies in literature, several differences between the bottom-up prepared C-dots and the top-down prepared GQDs with respect to physicochemical and optical properties have been elaborated, to clearly differentiate between both materials. At first, morphology of both materials was found to be highly diverse. As such, C-dots are quasi-spherical in shape with only a few nanometers in diameter and suggested to be mostly amorphous. By contrast, GQDs exhibit flake-like structures with similar heights, but in lateral dimensions of 5 – 25 nm. Furthermore, GQDs are suggested to mostly consist of graphitic carbon, since the precursor material is graphite. Both materials have shown to exhibit fluorescence emission shifts with variation of the excitation wavelengths. However, C-dots seem to have only a few major emissive species dominating their optical properties. By contrast, GQDs exhibit a direct correlation between excitation an emission. As such, GQDs may contain an infinite variety of emissive sites. In conclusion, both materials are closely related to each other concerning composition and functionalities, but clearly have their differences. Accordingly, a differentiation between both materials, C-dots and GQDs, is advisable.
Translation of the abstract (German)
Die Entwicklung und Optimierung der hydrothermalen Präparation von N-dotierten C dots aus Stärke und L-Tryptophan (Trp) stellt eine einfache und nachhaltige synthetische Methode dar, um ein für bioanalytische Anwendungen hochinteressantes, Kohlenstoff-nanomaterial zu gewinnen. Diese Partikel besitzen eine Größenverteilung zwischen 0.5 und 4.5 nm mit einer Durchschnittsgröße von (1.6 ± 0.8) nm. ...
Translation of the abstract (German)
Die Entwicklung und Optimierung der hydrothermalen Präparation von N-dotierten C dots aus Stärke und L-Tryptophan (Trp) stellt eine einfache und nachhaltige synthetische Methode dar, um ein für bioanalytische Anwendungen hochinteressantes, Kohlenstoff-nanomaterial zu gewinnen. Diese Partikel besitzen eine Größenverteilung zwischen 0.5 und 4.5 nm mit einer Durchschnittsgröße von (1.6 ± 0.8) nm. Desweiteren weisen sie eine hohe Dichte an sauerstoffhaltigen chemischen Gruppen auf, welche Rückstände der Vorläufermoleküle sind und die Partikel äußerst gut Wasser-dispergierbar machen. Dies ist in Übereinstimmung mit der elementaren Zusammensetzung von 44.9% C, 6.1% H, 1.1% N and 47.9% O. Die Experimente deuten darauf hin, dass hauptsächlich Hydroxyl- und Carboxyl-Gruppen die Oberfläche der C-dots bedecken, was sich in einer leicht negativ geladenen Oberfläche bei physiologischem pH mit einem Zeta-Potential von (-9.3 ± 3.5) mV, niederschlägt.
Erklärbar durch die vermutete Funktionalisierung mit verschiedensten chemischen Gruppen auf der Oberfläche der C-dots, werden diese innerhalb von Minuten von tierischen Zellen durch Endozytose aufgenommen. Höchstwahrscheinlich werden die Partikel aufgrund ihrer geringen Größe, unspezifisch mittels Pinozytose über Vesikel in die Zellen aufgenommen. Eine Rezeptor-vermittelte Endozytose kann dabei nicht ausgeschlossen werden, erscheint aber unwahrscheinlich wegen der hohen Selektivität der Rezeptoren. Zusätzlich wurden Indizien auf weitere Aufnahmemechanismen, wie einfache Diffusion über die Zellmembran, beobachtet. Die äußerst geringe Dimension der Nanopartikel, gemeinsam mit ihrer einzigartigen Oberfläche, dürften für die schnelle Translokationsraten durch Zellschichten verantwortlich sein, welche für verschiedene tierische Zelllinien beobachtet wurde. Die hohen Durchdringungsraten und die ultra-schnellen Aufnahme in Zellen unterstreichen die Anwendbarkeit der C-dots als Sonden oder Kontrastmittel für bildgebende Studien.
Biokompatibilität ist ein notwendiges Kriterium für die Anwendung jedes neuen Nanomaterials für bildgebende Zelldiagnostik. Die Verifizierung dieser Bedingung ergab ein gemischtes Resultat für die C-dots. Dabei zeigten Zytotoxizitätsmessungen eine eindeutig kritische Konzentration von ungefähr 1.1 mg/mL für die Langzeit-Inkubation von NRK Zellen über mehrere Tage. Höhere Partikel-Konzentrationen führten zu Apoptose unter den Zellen, während niedrigere Konzentrationen die NRK Zellen weitestgehend unbeeinflusst ließen. Desweiteren wurden Zell-Adhäsion, -Proliferation und -Migration proportional zur C-dot Konzentration verzögert, bei permanenter Aussetzung den Partikeln gegenüber. Jedoch benötigen die Färbung und die Beladung von NRK Zellen, wie sie für die entwickelten Anwendungen verwendet werden lediglich Inkubationszeiten von wenigen Minuten. Auf diese Weise behandelte NRK Zellen zeigten keine Anzeichen von Zytotoxizität. Desweiteren wurde die Migration, als Beispiel eine Beeinträchtigung des Zellverhaltens, von auf diese Weise beladenen NRK Zellen nur marginal beeinflusst Folglich können die in dieser Arbeit beschriebenen C-dots unter den gegebenen Expositionsbedingungen als biokompatibel bezeichnet werden. Dies basiert auf der richtigen Wahl von Konzentration und Inkubationszeit (i.d.R. 1.0 mg/mL für 30 – 60 min) für die jeweilige Anwendung.
Eine gründliche Untersuchung der optischen Eigenschaften der C-dots ergab einzigartige Eigenschaften dieses neuen Materials. Dabei weisen wässrige C-dot Suspensionen typischerweise eine Quantenausbeute von (25.1 ± 2)% auf. Dies ist ungefähr 30-mal höher als Quantenausbeuten von nicht-dotierten C-dots aus Stärke und dürfte auf die N-Dotierung durch das Hinzufügen von Trp zum Reaktionsansatz zurückzuführen sein. Da die Zugabe von Trp auch mit der Formation von größeren Partikeln zusammenhängt, dürfte die Aminosäure höchstwahrscheinlich auch die Bildung von stark emittierenden Spezies begünstigen. Niedrig konzentrierte Suspension von N dotierten C-dots haben ihr Anregungsmaximum bei ungefähr 370 nm und weisen blaue Lumineszenz mit einem Emissionsmaximum bei etwa 450 nm auf. Die Fluoreszenz ist konzentrationsabhängig und die Anregungswellenlänge kann über einen weiten Wellenlängenbereich variiert werden, was zur Emission von unterschiedlichen C dot Spezies führt. Eine Erhöhung der Partikel-Konzentration in wässriger Suspension führt vermutlich zu Reabsorption von emittiertem Licht und/oder zu Selbst-Löschung unter den verschiedenen emittierenden C-dot Spezies. Dies führt zu einer Rot-Verschiebung der Fluoreszenz-Emission für höhere C-dot Konzentrationen. Untersuchungen der Partikel-Fluoreszenz bei den Wellenlängen der Laser des verwendenden CLSMs von 405, 488 und 543 nm zeigten, dass dieses Phänomen dazu genutzt werden kann um C dot Verteilungen durch Fluoreszenzmikroskopie nachzuweisen. Dabei kann intensiv-blaue Emission für niedrige Konzentrationen bei 405 nm beobachtet werden. Hohe Partikel-Konzentrationen führen zu einer Emissions-Verschiebung von Blau nach Grün bei Anregung mit 405 nm. Zusätzlich wird die grüne Emission bei Anregung mit 488 nm am intensivsten.
Die Verwendung der C-dots als Fluoreszenz-Kontrastmittel für die Abbildung tierischer Zellen, kann diese spektralen Eigenschaften nutzbar machen. Dabei wurde die lokale Akkumulation von C-dots erhöhter Konzentration der Rot-verschobenen Fluoreszenz-Emission der Partikel in Suspension zugeordnet. Ähnlich wie bei den Studien in Suspension verschiebt sich die Emission von Blau nach Grün für Partikel Ansammlungen in großer Menge bei Anregung mit 405 nm. Desweiteren steigen die Intensitäten der Emission bei Anregung mit 488 und 543 nm. Es hat sich gezeigt, dass lebende Zellen C-dots in niedrigen Konzentrationen mittels Endozytose aufnehmen, was bei Laser-Anregung mit 405 nm in blau lumineszierendem Zytoplasma resultiert. Dabei befinden sich die meisten Partikel in Vesikel. Tote Zellen hingegen weisen grün lumineszierende Zellkerne mit höchster Intensität bei 488 nm Anregung auf. Dies lässt sich auf die Ansammlung von C-dots in den Zellkernen durch Bindung an die darin enthaltene DNA zurückführen, was die Emissionsverschiebung induziert. Bei Zellen, die die Plasmamembran-Integrität verloren haben und den Zelltod durchlaufen, besteht direkter diffusiver Kontakt zwischen Zellkernen und der Umgebung. Deshalb können C dots, welche nicht in Vesikeln zurückgehalten werden, frei durch den Kernporen-Komplex diffundieren und sich dort ansammeln. Zusätzlich wird vermutet, dass die Bindung zwischen den C-dots und der DNA die Emissionseigenschaften der Partikel verändert, was zusätzlich für die Unterschiedliche Färbung verantwortlich sein kann.
Durch die Verwendung beider Laser ist es möglich die C-dots für einen Nachweis von lebenden und toten Zellen zu benutzen. Dabei wird der 405 nm Laser für den Nachweis der blauen Lumineszenz im Zytoplasma von lebenden Zellen benutzt, während der 488 nm Laser dazu dient, die grün gefärbten Zellkerne von toten Zellen zu visualisieren. Dieser Nachweis gibt dieselben Informationen wie es ein kommerziell erhältliches Färbe-Set zur Unterscheidungen von lebenden und toten Zellen mittels Mikroskopie tut. Da die Unabhängigkeit der Methode vom Toxin bewiesen wurde, können C-dots für die Bestimmung von EC50-Werten für ausgewählte Giftstoffe mittels CLSM verwendet werden. Dabei kann das Verhältnis zwischen der grünen und blauen Fluoreszenz-Intensität bei der jeweiligen Laseranregung als Maß für die Zytotoxizität benutzt werden. Die Methode kann für Zytotoxizitäts-Bestimmungen für verschiedenste tierische Zellenlinien benutzt werden. Für NRK-Zellen zum Beispiel, stieg das Grün/Blau Intensitäts-Verhältnis, durch die Behandlung mit tBuOOH, von ca. 0.1 für gesunde Zellen zu ca. 1.5 für tote Zellen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Färbung von lebenden und toten Zellen mittels C-dots nicht nur mittels CLSM, sondern auch durch FACS analysiert werden kann. Abgesehen von Zytotoxizitäts-Bestimmungen konnten C dots auch für die Mikroskopie von lebenden und toten Zellen in MCS als Gewebemodel verwendet werden. Deshalb erscheint die Anwendung der Partikel in Gewebe als vielversprechend.
Neben Lumineszenz hat es sich gezeigt, dass C-dots unter Langzeit-Bestrahlung effektiv reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) erzeugen können. Dabei kombinieren die Partikel mit ihren Eigenschaften alle nötigen Anforderungen eines Photosensitizers für die photodynamische Therapie: gute Wasser-Dispergierbarkeit, schnelle Internalisierung in Zellen und effektive ROS Erzeugung. Dies wurde dafür genutzt, NRK Zellen selektiv einem der photodynamischen Therapie nachempfundenen experimentellen Protokoll zu unterziehen. Dies wurde sowohl durch die Anregung von extrazellulären C-dots in Suspension, sowie mit internalisierten Partikeln durchgeführt. Dabei konnte gezeigt warden das neben der nah-UV, auch die Bestrahlung mit blauem Licht Phototoxizität hervorrufen kann. Demzufolge können die Bestrahlungsbedingungen in der Anwendung von C-dots als photodynamisches Agens variiert werden. Die Erzeugung von ROS durch die Bestrahlung internalisierter C-dots führt vermutlich zur Oxidation von Phosopholipiden der Vesikel, welche die eingelagerten Partikel im Cytoplasma umgeben. Dies ermöglicht die Freisetzung der C-dots, welche ROS somit in der gesamten Zelle produzieren. Dies führt zur Einleitung des Zelltods durch Apoptose, was durch Annexin V Bindungs-Studien bewiesen wurde. Interessanterweise hat es sich gezeigt, dass freigesetzte zellinterne C dots den Kern von Zellen die den programmierten Zelltod durchlaufen von innen heraus anfärben bevor Annexin V an die Membran dieser Zellen bindet.
In einem „theranostischem“ Ansatz wurde diese Fähigkeit der C-dots, Kerne toter Zellen von innen zu färben, gemeinsam mit der zum Zelltod führenden ROS Erzeugung bei Langzeit-Anregung kombiniert. Dabei wurden NRK Zellen mit C-dots durch Kurzzeit-Inkubation beladen. Ausgewählte Zellen wurden daraufhin einer Art photodynamischen Therapie durch Photo-Anregung der internalisierten C-dots für einige Minuten unterzogen. Dies konnte auf großen Zellflächen durch Epilumineszenz-Mikroskopie mittels UV-Anregung (330 – 380 nm) angewandt werden. Derselbe Ansatz wurde auch erfolgreich auf Einzel-Zell-Ebene mittels CLSM 405 nm Laser Anregung durchgeführt. Die darauf folgende Analyse der Zellen mittels CLSM erlaubt eine eindeutige Erfolgskontrolle der Behandlung durch die sich veränderten optischen Eigenschaften der internalisierten C-dots für tote Zellen. Dabei zeigen die zellintern freigesetzten C-dots die selbe Rot-Verschiebung durch die Ansammlung im Kern, wie es für die Färbung von außen beschrieben wurde. Nicht-bestrahlte NRK Zellen weisen ein blau lumineszierendes Zytoplasma bei Anregung mit 405 nm auf, während die Kerne jener Zellen, die der photodynamischen Therapie ausgesetzt waren, grün erscheinen bei Anregung mit 488 nm. Dementsprechend erlauben C-dots nicht nur die aktive Therapie von Zielzellen, sondern auch die Diagnostik des Erfolgs der Behandlung – Theranostik. Studien an MCF-7 MCS als Brustkrebs Tumor-Model haben gezeigt, dass dieser Ansatz auch an solch großen Zellaggregaten durchgeführt werden kann. Aufgrund dessen können C-dots als vielversprechendes theranostisches Agens für die Behandlung von Tumorgeweben in der Krebstherapie in lebenden Organismen angesehen werden.
In Nebenprojekten dieser Arbeit wurden C-dots in andere Nanostrukturen eingebettet und chemisch modifiziert, um die möglichen Anwendungen dieser Partikel zu zeigen. Dabei konnte die Einbettung in Agarose Nanopartikel dazu benutzt werden, Änderungen der Osmolarität durch Aufhebung der Selbst-Löschung der Fluoreszenz optisch zu verfolgen. Dabei erhöhte sich die Fluoreszenzintensität um 15% bei der Zugabe von 1 M eines Osmolyts zum Puffer. Obwohl dies eine schlechte Sensitivität darstellt, soll dies grundsätzliche Anwendungsmöglichkeiten der Partikel zeigen. Zusätzlich wurden Liposome als Transportvehikel für C-dots in NRK Zellen untersucht. Hierbei konnte eine Internalisierung der Partikel durch einen, im Vergleich zu freien C-dots, höchstwahrscheinlich anderen Aufnahmemechanismus beobachtet werden. Diese Untersuchungen können als erste Schritte in Richtung der selektiven Einlagerung von C dots in Zielzellen angesehen werden. Auch die chemische Modifikation der C-dots ist dazu gedacht prinzipielle Anwendungsmöglichkeiten der Partikel zu zeigen. Die Modifikation mit Ölsäure veränderte die physikochemischen und optischen Eigenschaften der C-dots drastisch. Als solches konnte die Anlagerung an DNA, zum Beispiel, unterbunden werden. Obwohl die angewandte Thionylchlorid Chemie als harsch angesehen wird, kann diese genutzt werden um andere vielversprechende Modifikationen durchzuführen.
Bezüglich der Wiedersprüche in der Literatur konnten viele Unterschiede zwischen den physikochemischen und optischen Eigenschaften der bottom-up hergestellten C-dots und der top-down hergestellten GQDs ausgearbeitet werden. Zunächst hat es sich gezeigt, dass die Morphologie beider Materialen äußerst unterschiedlich ist. Dabei können C dots als quasi-sphärisch mit nur wenigen Nanometern im Durchmesser und als amorph angesehen werden. Im Gegensatz dazu weisen GQDs eine Flocken-artige Struktur auf in vergleichbarer Höhe, aber in Ausdehnung von 5 - 25 nm. Desweiteren, ist davon auszugehen, dass GQDs hauptsächlich aus Kohlenstoff in Graphit-Struktur bestehen, da es sich bei dem Ausgangsmaterial um Graphit handelt. Beide Materialien zeigen eine Verschiebung ihrer Fluoreszenz-Emission mit Variation der Anregungs-Wellenlänge. Jedoch scheint es, dass C-dots nur wenige emittierende Hauptspezies besitzen, welche deren optischen Eigenschaften dominieren. Im Gegensatz dazu weisen GQDs eine direkte Korrelation zwischen Anregung und Emission auf. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass diese eine beliebig hohe Anzahl verschiedener emittierender Spezies besitzen. Zusammenfassend sind beide Materialien eng verwandt betreffend der Zusammensetzung und Funktionalisierung, aber zeigen auch eindeutige Unterschiede. Als solches ist eine Unterscheidung zwischen beiden Materialien, C-dots und GQDs, ratsam.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:09
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