EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG ....................................... I
DANKSAGUNG ..................................................... II
INHALTSVERZEICHNIS ............................................ III
ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE ........................................ VI
1 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG ................................... 1
2 STAND DER LITERATUR .......................................... 3
2.1 Sol-Gel-Synthese zur Herstellung von Hydro- und
Xerogelen ................................................ 3
2.1.1 Klassische Sol-Gel-Synthese ......................... 3
2.1.1.1 Grundreaktionen der oxidischen Precursoren ...... 4
2.1.1.2 Allgemeine Reaktionsschritte der Sol-Gel-
Synthese ............................................... 5
2.1.1.3 Solbildung ...................................... 5
2.1.1.3.1 Definition Partikelgröße .................... 5
2.1.1.3.2 Hydrolyse und Kondensation .................. 6
2.1.1.3.3 Einfluss des pH-Werts auf das Sol ........... 8
2.1.1.4 Gelierung ....................................... 9
2.1.1.5 Alterung, Synärese und Schrumpfung ............. 14
2.1.2 Nicht-klassische Sol-Gel-Synthese .................. 16
2.1.2.1 Silylcarbodiimid-Precursoren ................... 16
2.1.2.2 Silazan-Precursoren ............................ 18
2.1.2.3 Aminosilan-Precursoren ......................... 20
2.1.3 Vor- und Nachteile beider Sol-Gel-Synthesen ........ 22
2.2 Magnetoresistive Effekte ............................... 23
2.2.1 Riesenmagnetowiderstand, GMR-Effekt ................ 23
2.2.2 Tunnelmagnetowiderstand, TMR-Effekt ................ 25
2.3 Immobilisierung von biologischem Material .............. 26
2.3.1 Immobilisierung von Bakterien ...................... 27
2.3.2 Immobilisierung von Algen .......................... 28
2.3.3 Immobilisierung von Chlorophyll und
Lichtsammeikomplexen .................................... 30
2.3.3.1 Chemische Struktur und Aufbau .................. 30
2.3.3.2 Beschreibung des Z-Schemas der Photosynthese ... 31
2.3.3.3 Immobilisierung von Chlorophyll-a .............. 33
2.3.3.4 Immobilisierung von Lichtsammelkomplexen ....... 34
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION ................................... 35
3.1 Entwicklung der wässrigen Aminosilan-basierenden
Sol-Gel-Synthese .......................................... 35
3.1.1 Auswahl von Aminosilanen zur Herstellung
oxidischer Hydro- und Xerogele .......................... 35
3.1.2 Untersuchung der Solbildung ........................ 38
3.1.2.1 Nachweis der hohen Reaktivität von Tetra(n-
propylamino)silan ..................................... 38
3.1.2.1.1 pH-Wert Messung ............................ 38
3.1.2.1.2 Untersuchung mittels der
Temperaturänderung .................................. 40
3.1.2.1.3 Untersuchung mittels 1H-NMR-
Spekrroskopie ....................................... 42
3.1.2.2 Einfluss des molaren
Stoffmengenverhältnisses auf die Hydrolyse und
Kondensation des Sols ................................. 44
3.1.2.3 Entwicklung einer Methode zur Herstellung
eines homogenen Sols .................................. 46
3.1.2.4 Systematische Analyse der Solbildung ........... 49
3.1.2.4.1 Lösungsmittel Wasser ....................... 50
3.1.2.4.2 Lösungsmittel Ethanol ...................... 52
3.1.2.4.3 Lösungsmittel Glyzerin ..................... 53
3.1.2.5 Untersuchung der PartikelgröBenverteilung
während der Solbildung ................................ 55
3.1.2.5.1 Transmissionselektronenmikroskopie und
Nanopartikel-Tracking-Analyse ....................... 55
3.1.2.5.2 Korrelation Partikelgröße und Trübung
des Sols ............................................ 57
3.1.2.6 Einfluss der Lagerzeit auf die
Partikelgrößenverteilung des Sols in einem
geschlossenen System .................................. 59
3.1.3 Untersuchung der Gelierung ......................... 60
3.1.3.1 Herstellung eines biokompatiblen Hydrogels ..... 60
3.1.3.2 Untersuchung der Stabilität der Hydrogele ...... 63
3.1.3.3 Einfluss der Aminosilan-Konzentration auf die
Transparenz der Hydrogele ............................. 64
3.1.4 Untersuchung der Alterung .......................... 65
3.1.4.1 Untersuchung des Gel-Xerogel-Obergangs ......... 65
3.1.4.2 Optimierung der Gel- und Xerogelzeit ........... 67
3.1.4.3 Nachweis der dreidimensionalen Si-O-Si
Netzwerkstruktur ...................................... 68
3.1.4.4 Analyse der Produktreinheit des basischen
Xerogels .............................................. 69
3.1.4.4.1 Elementaranalyse (EA) ...................... 69
3.1.4.4.2 Röntgenphotonenelektronenspektroskopie ..... 70
3.1.4.5 Einfluss der Aminosilan-Konzentration auf
die Transparenz der Xerogele .......................... 71
3.1.4.6 Untersuchung der Porosität mittels
Stickstoffphysisorption ............................... 72
3.2 Einschlussimmobilisierung von Kobalt-Nanopartikeln ..... 73
3.2.1 GMR-Effekte in Hydrogelen .......................... 73
3.2.2 TMR-Effekte in Hydrogelen .......................... 74
3.3 einschlussimmobilisierung der grünalge
C. Reinhardtii ............................................ 75
3.3.1 Einfluss der Immobilisierung auf die
photosynthetische Aktivität der Zellen .................. 76
3.3.2 Untersuchung zur Regeneration der Zellen ........... 77
3.3.3 Einfluss der Immobilisierung auf die
photosynthetische Aktivität der regenerierten Zellen .... 79
3.3.4 Einfluss der Amin-Konzentration auf die
photosynthetische Aktivität der Zellen .................. 81
3.4 Einschlussimmobilisierung eines lichtsammelkomplexes ... 82
3.4.1 Einfluss der Immobilisierung auf das
Absorptionsspektrum des LHCs ............................ 82
3.4.2 Einfluss der Belichtung auf die Stabilität des
LHCs .................................................... 84
4 EXPERIMENTELLER TEIL ........................................ 86
4.1 Entwicklung der wässrigen aminosilan-basierenden
sol-gel-synthese .......................................... 86
4.1.1 Auswahl von Aminosilanen zur Herstellung
oxidischer Hydro- und Xerogele .......................... 86
4.1.2 Untersuchung der Solbildung ........................ 91
4.1.2.1 Nachweis der hohen Reaktivität von
Tetra(n-propylamino)silan ............................. 91
4.1.2.1.1 pH-Wert Messung ............................ 91
4.1.2.1.2 Untersuchung mittels der
Temperaturänderung .................................. 93
4.1.2.1.3 Untersuchung mittels 1H-NMR-
Spektroskopie ....................................... 94
4.1.2.2 Einfluss des molaren Storrmengenverhältnis
auf die Hydrolyse und Kondensations des Sols .......... 94
4.1.2.3 Entwicklung einer Methode zur Herstellung
eines homogenen Sols .................................. 95
4.1.2.4 Systematische Analyse der Solbildung ........... 95
4.1.2.5 Untersuchung der Partikelgrößenverteilung
während der Solbildung ................................ 96
4.1.3 Untersuchung der Gelierung ......................... 97
4.1.3.1 Herstellung eines biokompatiblen Hydrogels ..... 97
4.1.3.2 Untersuchung der Stabilität der Hydrogele ...... 99
4.1.3.3 Einfluss der Aminosilan-Konzentration auf die
Transparenz der Hydro- und Xerogele .................. 100
4.1.4 Untersuchung der Alterung ......................... 100
4.1.4.1 Untersuchung des Gel-Xerogel-Übergangs ........ 100
4.1.4.2 Optimierung der Gel- und Xerogelzeit .......... 102
4.1.4.3 Nachweis der dreidimensionalen Si-O-Si
Netzwerkstruktur ..................................... 102
4.1.4.4 Analyse der Produktreinheit des basischen
Xerogels ............................................. 102
4.1.4.4.1 Elementaranalyse (EA) ..................... 102
4.1.4.4.2 Röntgenphotonenspektroskopie .............. 103
4.1.4.5 Untersuchung der Porosität mittels
Stickstoffphysisorption .............................. 104
4.2 Einschlussimmobilisierung von Kobalt-NanopArtikeln .... 106
4.2.1 GMR-Effekte in Hydrogelen ......................... 106
4.2.2 TMR-Effekte in Hydrogelen ......................... 106
4.3 Einschlussimmobilisierung der Grünalge
C. keinhardtii ........................................... 107
4.3.1 Einfluss der Immobilisierung auf die
photosynthetische Aktivität der Zellen ................. 108
4.3.2 Untersuchung zur Regeneration der Zellen .......... 110
4.3.3 Einfluss der Immobilisierung auf die
photosynthetische Aktivität der regenerierten Zellen ... 110
4.3.4 Einfluss der Amin-Konzentration auf die
photosynthetische Aktivität der Zellen ................. 110
4.4 Einschlussimmobilisierung eines Lichtsammelkomplexes .. 111
4.4.1.1 Einfluss der Immobilisierung auf das
Absorptionsspektrum des LHCs ........................... 113
4.4.1.2 Einfluss der Belichtung auf die Stabilität
des LHCs ............................................... 113
4.5 Verwendete Chemikalien und Verbrauchsmaterialien ...... 114
4.6 Verwendete Geräte ..................................... 116
5 SCHLUSSFOLGERUNG ........................................... 118
6 ZUSAMMENFASSUNG ............................................ 120
7 LITERATUR .................................................. 123
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