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Untersuchung der Polymerdynamik an Oberflächen mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und Försterenergietransfer

Weger, Lukas

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein eigener Mikroskopaufbau vorgestellt, welcher die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und die Fluoreszenzlebenszeitsmessung vereint und diese an Oberflächen direkt als Ensemblemessung ermöglicht. Aus der Fluoreszenzlebenszeit können mittels Försterenergietransfers dabei Abstandsverteilungen im Bereich weniger Nanometer ermittelt werden. In dem Aufbau werden Proben mit niederenergetischen gepulsten Lasern in Totalreflexion beleuchtet, so dass die resultierende evaneszente Welle ca. 100~nm in die Probe eindringt, wodurch FLCS an der Oberfläche ermöglicht wird. Mit dem neuartigen TIR-FLCS Aufbau können somit Informationen über Diffusion als auch Struktur von Molekülen unter Einfluss von Oberflächen parallel erfasst werden. Trotz einer Vielzahl an Untersuchung ist die Art der Beeinflussung von Polymerdynamik durch Oberflächen und deren Dimension noch nicht geklärt. Mittels des TIR-FLCS wird die molmassenabhängige Diffusionsdynamik von Polyethylenglycol in Anwesenheit von silanisierten Glasoberflächen untersucht und diese in Bezug zu den theoretischen Diffusionsmodellen von Rouse und Zimm gesetzt. Hierfür werden die Polymere als Ensemble in Lösung und auf der Oberfläche adsorbiert betrachtet. In der Nähe der silanisierten Oberflächen wird neben der Diffusion des adsorbierten Polymer und des freien gelösten Polymers eine dynamische Interphase zwischen Oberflächendiffusion und der Diffusion frei beweglichen Polymermoleküle in Lösung gefunden. Während letztere Zimm-Dynamik aufweisen, zeigt sich für die oberflächenahe Diffusion ein Rouse-artiges Verhalten. Zur Aufklärung der Struktur des Polyethylenglycols wurde das Polymer endständig mit zwei verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen markiert und mittels Försterenergietransfers erstmalig im Ensemble nahe der Oberfläche untersucht. Es zeigt sich hierbei eine Erhöhung des End-zu-End Abstandes der Polymere an den Propyl- und Aminopropylsilanoberflächen, wodurch sich die geänderte Dynamik teilweise begründen lässt.

In this work a homemade microscope setup will be introduced, which combines the methods of fluorescence lifetime with fluorescence correlation spectroscopy and adapts these to ensemble measurements near surfaces. By the means of the Förster energy transfer, fluorescence lifetime can be used to derive distance distribution over the range of a few nanometers. In the presented setup, samples will be illuminated in a total reflection angle with low-energy pulsed lasers. This results in an evanescent wave penetrating about 100~nm into the sample, which enables FLCS near the surface. With the novel TIR-FLCS setup data on diffusional and structural dynamics near surfaces can be gathered simultaneously. Even though there are numerous investigation on the type and extend of the influence of surfaces on polymer dynamics, it is still not sufficiently resolved. The molecular weight-dependent diffusional dynamics of polyethylene glycol will be examined in the vicinity of silanized glass surfaces and compared to the theoretical models of Rouse and Zimm. To achive this, the polymers will be measured as ensemble in solution and adsorbed on various surfaces. Between the diffusion of adsorbed polymer and the free diffusion of polymer in solution, a transitional interphase can be found on silanized surfaces. While the diffusion of polymers in solution scales as predicted by Zimm, the near surface diffusion shows Rouse behavior. For the structural investigation of polyethylene glycol, the polymer was labelled terminally with two different fluorescent markers, and, for the first time, measured Förster energy transfer near surfaces in an ensemble. Polymers on propylsilane and aminopropylsilane surfaces exhibit an increase in their end-to-end distances, which partially explains their change in diffusional dynamics.

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Weger, Lukas: Untersuchung der Polymerdynamik an Oberflächen mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und Försterenergietransfer. 2018.

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