Dynamics of tracer particles in complex environments investigated by dual-focus fluorescence correlation spectroscopy

Walta, S.; Wöll, Dominik; Richtering, Walter

doi:35632

Dynamics of tracer particles in complex environments investigated by dual-focus fluorescence correlation spectroscopy = Dynamik von Tracerpartikeln in komplexen Umgebungen untersucht mittels Zwei-Fokus-Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie

Walta, S.

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Stefan Walta

ImpressumAachen 2017

UmfangIllustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Richtering, Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Wöll, Dominik (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-02-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-018990
DOI: 10.18154/RWTH-2017-01899
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/684313/files/684313.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/684313/files/684313.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
crowding (frei) ; fluorescence (frei) ; fluorescence correlation spectroscopy (frei) ; self-assembly (frei) ; tracer diffusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Weiche Materialien sind von großer Bedeutung im Alltagsleben, denn nicht nur biologische Gewebe, sondern auch viele industrielle Produkte gehören dieser breiten Stoffklasse an. Oftmals bestehen diese Materialien aus festen Teilchen (z.B. Polymere), die in einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) suspendiert sind, und dabei komplexes Verhalten auf mesoskopischer Längenskala zeigen. Für die Entwicklung neuer Materialien und Werkstoffe ist es deshalb unabdingbar, die Struktur und Dynamik in komplexen Fluiden nachhaltig zu verstehen. Fluoreszenzbasierte Methoden sind in den Polymer- und Kolloidwissenschaften weit verbreitet. Durch kovalent angebundene oder physikalisch eingeschlossene Fluorophore können Informationen zur Dynamik und Polarität der markierten Systeme und ihrer Umgebung gewonnen werden. Die Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) ist eine empfindliche und selektive Methode, jedoch kann die Genauigkeit, gerade in komplexen Umgebungen, durch viele optische Artefakte stark beeinträchtigt werden. Die kürzlich entwickelte Zwei-Fokus-FCS (2fFCS) ist eine leistungsstarke technische Weiterentwicklung der konventionellen FCS-Apparatur. Diese Arbeit zeigt Anwendungen der 2fFCS, um die Dynamik von Tracerpartikeln in verschiedenen komplexen Umgebungen zu verfolgen und zu quantifizieren. Dadurch wird das große Potenzial der 2fFCS für vielfältige Herausforderungen in der Polymer- und Kolloidchemie sowie Biologie dargelegt. Ein neuartiges Blockcopolymer, das einen Glykopolymerblock aufweist und in Wasser Mizellen bildet, wird zu Beginn dieser Arbeit vorgestellt. Diese Mizellen zeigen eine starke Bindung von Lektinen an die Zuckerkorona sowie die Möglichkeit zur Aufnahme von hydrophoben Farbstoffen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die elektrostatisch getriebene Komplexbildung von gegensätzlich geladenen Mikrogelen und Polyelektrolyten bei unterschiedlichen Ladungsverhältnissen und Salzkonzentrationen untersucht. Daraus lassen sich vielversprechende schaltbare Mikrogelsysteme zur Aufnahme und Freisetzung gegensätzlich geladener Polymerspezies entwickeln, wobei die Ionenstärke als Trigger fungiert. Zudem wird der Effekt räumlicher Inhomogenitäten auf die Permeabilität in Polymergelen durch Diffusionsmessungen von Nanotracern innerhalb verschieden stark vernetzter lokaler Domänen in Mikrogelpackungen ergründet. Das Ergebnis dieser Studie ist, dass die Tracerdiffusion auf der Submikrometerskala nicht durch die Vernetzungsdichte und damit ihre räumliche Inhomogenität in der entquollenen Gelmatrix beeinflusst wird. Den Abschluss bilden Experimente zur Entfaltung des Beta-Amyloid-Peptids, dessen Aggregation eine wichtige Rolle in der Entwicklung einer Alzheimer-Krankheit spielt. Die resultierende kooperative Entfaltungskurve ergibt eine geringe freie Enthalpie des nativen Zustands, was auf das Vorhandensein eines kleinen Anteils struktureller Elemente hindeutet.

Soft matter materials are of great importance in everyday life, as not only biological composites but also many industrial products belong to said broad class. Often these materials consist of high molecular mass particles (e.g., polymers) suspended in low molecular weight solvents (e.g., water) and exhibit complex behavior at the mesoscopic scale. Therefore, a deeper understanding of the structure and dynamics in complex polymer and colloid fluids is essential for the development of new materials, reagents, and devices. Fluorescence-based techniques are widely used in polymer and colloid science. By covalent attachment or physical entrapment of fluorophores to polymers information on the dynamics and polarity of the labeled system and its environment can be obtained. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a very sensitive and selective technique; however many optical artifacts, especially emerging in complex environments, can significantly influence the precision of this method. Recently, dual-focus fluorescence correlation spectroscopy (2fFCS) has been developed as a powerful technical improvement of the standard FCS setup. This thesis shows how 2fFCS can be applied to monitor and quantify the dynamics of tracer particles in different complex environments, thereby demonstrating its high potential for solving various challenges in physical chemistry of polymers and colloids, and biology. Novel diblock glycopolymers which self-assemble into homogeneous spherical micellar structures in water are introduced in the first part of this thesis. These structures render surface-oriented sugar moieties for strong multivalent glycan-mediated lectin binding and are capable of solubilization and incorporation of hydrophobic molecules. Another example of self-assembly is electrostatically-driven complexation of polymeric components. The second part of this thesis considers the interaction between oppositely charged microgels and polyelectrolytes at different initial charge ratios and concentrations of a low molecular weight salt. The obtained results offer the possibility to construct promising stimuli-responsive uptake and release systems based on microgels hosting oppositely charged guests, where the ionic strength acts as a trigger. Furthermore, the effect of nanoscopic spatial inhomogeneities on the permeability of polymer gels is studied by measuring the diffusivity of nanoparticulate tracers within differently crosslinked local domains in microgel packings. The outcome of this work is that the sub-micrometer-scale tracer diffusivity is not affected by the gel-matrix crosslinking density in deswollen networks, and hence, neither by its spatial inhomogeneity. The last part of this thesis explores the unfolding of the amyloid beta peptide, whose aggregation plays a major role in the progression of Alzheimer's disease. The existence of a cooperative unfolding curve suggests the presence of residual structural elements with a low Gibbs free energy of unfolding.

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