Einfluss verschiedener Liganden auf strukturelle und photophysikalische Eigenschaften kovalent funktionalisierter ultrakleiner Goldnanopartikel
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von ultrakleinen Goldnanopartikeln, die mit unterschiedlichsten Liganden funktionalisiert wurden. Der Einfluss der gebundenen Liganden auf die strukturellen sowie photophysikalischen Eigenschaften der Goldnanopartikel sollte systematisch untersucht werden. Zu diesem Zweck erfolgte eine umfassende Charakterisierung der Partikel mittels verschiedener analytischer Methoden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Anzahl der Liganden pro Nanopartikel in Abhängigkeit von der Ligandenlänge sowie deren Geometrie untersucht. Hierfür wurden diverse Peptid-terminierte Nanopartikel durch eine modifizierte Brust-Schiffrin- Synthese dargestellt. Als Liganden wurden Peptide unterschiedlicher Länge mit terminalem Cystein sowie symmetrische Peptide gewählt, bei denen das Cystein zentral innerhalb der Peptidsequenz positioniert war. Außerdem wurden zwei Peptide an die Partikel angebunden, die sowohl am C- als auch am N-Terminus ein Cystein aufwiesen. HRTEM und SAXS zeigten unabhängig von dem angebundenen Peptid einen Kerndurchmesser von ca. 2 nm. Mittels DCS wurden hydrodynamische Durchmesser von 1.3 bis 1.5 nm ermittelt, was auf die Überschätzung der Dichte zurückzuführen ist. Wie erwartet zeigten sich mit zunehmender Ligandenlänge mittels 1H-DOSY-NMR-Spektroskopie ansteigende hydrodynamische Durchmesser im Bereich von 2 bis 5 nm. Die erfolgreiche Oberflächenfunktionalisierung wurde durch eine deutliche Signalverbreiterung sowie Tieffeldverschiebung in der 1H-NMR- Spektroskopie bestätigt. Es konnte festgestellt werden, dass die Signale kernnaher Protonen eine signifikante Verbreiterung aufwiesen, während Protonen, die sich in größerer Distanz zur Partikeloberfläche befanden, eine Tendenz zu zunehmend schärferen Signalen aufzeigten. 1H-NMR- sowie IR-spektroskopische Untersuchungen bestätigten zudem, dass Peptide mit zwei Cysteinen über beide Thiolgruppen an die Nanopartikeloberfläche binden. Die Quantifizierung über 1H-NMR-Spektroskopie unter Verwendung von Maleinsäure als internem Standard ergab für alle Partikel eine deutliche Abnahme der Ligandenanzahl pro Nanopartikel mit zunehmender Peptidlänge. Diese Abnahme lässt sich vermutlich auf eine zunehmende sterische Hinderung der Liganden sowie auf intermolekulare Wechselwirkungen zurückführen. Beim Vergleich zwischen den Peptiden gleicher Länge mit unterschiedlichen Ligandengeometrien ist jedoch kein signifikanter Unterschied zu erkennen. Diese Beobachtung legt nahe, dass die Ligandengeometrie eine untergeordnete Rolle spielt und die Peptide auf der Oberfläche eher eine ungeordnete als eine geordnete, bürstenartige Konformation einnehmen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung des Einflusses von Nanopartikeln auf die Fluoreszenzauslöschung sowie die Quantenausbeute von Farbstoffen. Es wurden zwei Peptide unterschiedlicher Länge mit N-terminalem Fluorescein (FITC) als Liganden gewählt. Zum Vergleich wurden außerdem AF647-terminierte Partikel sowie Nanopartikel, die mit dem Tripeptid WAC funktionalisiert waren, untersucht. Durch Anwendung verschiedener Methoden konnte für alle Partikel ein Durchmesser von etwa 2 nm mit einer monodispersen Verteilung bestimmt werden. Die Quantifizierung erfolgte über UV-Vis-Spektroskopie. Für Au-AC-FITC wurden 19 und für Au-A3C-FITC 15 Liganden pro Partikel ermittelt. Für Au-WAC konnte mittels UV-Vis-Spektroskopie 53 Liganden und durch NMR-Spektroskopie eine Ligandenanzahl von 65 bestimmt werden. Die Fluoreszenzintensitäten der oberflächengebundenen Fluorophore wiesen im Vergleich zu den freien Liganden eine deutliche Abnahme von etwa 50% auf. Es konnte kein signifikanter Unterschied zwischen den FITC-Liganden festgestellt werden, die unterschiedliche Abstände zur Oberfläche aufwiesen. Im Vergleich zu den klassischen Fluorophoren wiesen WAC und Au-WAC lediglich eine sehr geringe Fluoreszenzintensität auf. Die temperaturabhängige Fluoreszenz der freien Liganden sowie der funktionalisierten Partikel wies einen signifikanten Verlust der Fluoreszenzintensität auf. Dieser Effekt ist womöglich auf die gesteigerte Mobilität sowie die damit verbundenen vermehrten nicht-radiativen Übergänge zurückzuführen. Die Untersuchung der absoluten Quantenausbeuten bei Raumtemperatur ergab signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Fluorophoren. Für die FITC nahm diese signifikant von 89% (AC-FITC) bzw. 65% (A3C-FITC) auf 7% (Au-AC-FITC) bzw. 3% (Au-A3C-FITC) ab. Es wurde ersichtlich, dass trotz unterschiedlicher Abstände keine deutlichen Unterschiede in den Quantenausbeuten der Nanopartikel bestehen. Im Gegensatz dazu zeigte AF647 nur eine geringe Abnahme (23% für AF647, 20% Au-AF647). Als Grund kann vermutlich die größere Überlappung der Emissionswellenlänge von FITC (493 nm) mit den Nanopartikeln angebracht werden, welche zu einer höheren Energieübertragungseffizienz und folglich stärkeren Abschwächung der Fluoreszenz führte. Für WAC wurde eine Quantenausbeute von 6% bestimmt, während sie für Au-WAC nahezu gegen 0 ging. Insgesamt zeigte sich ein starker Quenching-Effekt, der auf einen Energietransfer vom angeregten Fluorophor zum metallischen Nanopartikelkern und somit auf nicht-strahlende Deaktivierungsprozesse hindeutet. Diese umfassende Studie bietet einen Einblick in die absoluten Quantenausbeuten der Photolumineszenz und ermöglicht eine quantitative Bewertung. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Photoschaltbarkeit von einem Liganden mit einer 3-Azopyridin-Einheit an der Nanopartikeloberfläche. Hierfür wurden zunächst über eine klassische Brust-Schiffrin-Synthese Dodecanthiol-terminierte Partikel (Au-DDT) synthetisiert. Für diese Partikel wurde ein mittlerer Durchmesser im Bereich von 2 nm bestimmt. Die NMR-Spektroskopie bestätigte eine erfolgreiche Oberflächenfunktionalisierung. Mittels ICP-MS konnte eine Ligandenanzahl von 135 Liganden pro Partikel bestimmt werden. Anschließend wurde die Azoverbindung durch einen Ligandenaustausch an die Oberfläche gebunden. Der Ligandenaustausch nahm dabei keinen Einfluss auf die Partikelgröße. Jedoch verlief er nicht vollständig, sodass 66 DDT- und 49 Azopyridinliganden auf der Oberfläche gebunden vorlagen. Die Untersuchung der Photoschaltbarkeit erfolgte über UV-Vis-Spektroskopie und NMR- Spektroskopie. Es konnte gezeigt werden, dass der gebundene Ligand weiterhin durch Bestrahlung mit 365 nm eine E/Z-Isomerie sowie mit 520 nm eine Z/E-Isomerie aufwies. Mittels NMR-Spektroskopie konnte bestätigt werden, dass die PSS ähnliche Isomerenverhältnisse wie der freie Ligand zeigten, was impliziert, dass die Liganden nach der Konjugation an die Nanopartikel nicht unter sterischer Hinderung leiden. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass die photoinduzierte Isomerisierung des gebundenen Liganden signifikant weniger schnell abläuft als die des freien Liganden, was vermutlich auf die optische Dichte der Dispersion zurückzuführen ist. Die thermische Rückschaltung war für den freien Liganden und den gebundenen Liganden nahezu identisch und betrug 59 h bzw. 67 h. Das Einbringen in einen flüssigkristallinen Host führte unter UV-Licht-Bestrahlung zum Verschwinden der nematischen Struktur und zur Ausbildung der isotropen Phase. Das Verschwinden ist auf die E/Z-Isomerie zurückzuführen, die eine Ausrichtung der Mesogene verhindert. Der Erhalt der Photoschaltbarkeit in Nanopartikeln sowie der Übergang von der nematischen zur isotropen Phase unter Bestrahlung sind vielversprechend für die Entwicklung photoresponsiver Materialien. Der letzte Abschnitt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung der Synthese von literaturbekannten, Glutathion-terminierten Goldnanopartikeln, mit dem Ziel, die Reproduzierbarkeit der eingesetzten Analysemethoden zu validieren. Die experimentelle Streuung der Ligandenanzahl lag mit etwa 14% leicht über der aus der Fehlerfortpflanzung berechneten Messunsicherheit von 12%, was darauf hindeutet, dass neben den Messfehlern auch synthesebedingte Schwankungen zur Variabilität beitragen.
The objective of the present study was to synthesize and characterize ultrasmall gold nanoparticles functionalized with various ligands. The impact of the attached ligands on the structural and photophysical properties of the gold nanoparticles was thoroughly investigated. To achieve this, a comprehensive characterization of the nanoparticles was performed using various analytical techniques. The core diameter was determined via HRTEM and SAXS, while the hydrodynamic diameters were measured using DCS and 1H-DOSY-NMR spectroscopy. Successful attachment of ligands to the nanoparticle surface was verified through 1H-NMR spectroscopy. The number of ligands per nanoparticle was quantified using 1H-NMR spectroscopy, UV-Vis spectroscopy, and ICP-MS. In the initial section of this work, the influence of ligand length and geometry on the number of ligands per nanoparticle was investigated. To this end, various peptide-terminated nanoparticles were synthesized using a modified Brust-Schiffrin method and subsequently characterized. Peptides of varying lengths containing a terminal cysteine, as well as symmetric peptides with a centrally located cysteine within the peptide sequence, were chosen as ligands. Additionally, two peptides with cysteine residues at both the C- and N-termini were also attached to the nanoparticles. All particles were successfully synthesized, and their colloidal stability was observed to vary depending on the peptide length, ranging from several hours to several weeks. HRTEM and SAXS measurements indicated a core diameter of approximately 2 nm, regardless of the attached peptide. Hydrodynamic diameters, determined by DCS, ranged between 1.3 and 1.5 nm, a value attributed to the overestimation of the particle density. As anticipated, an increase in ligand length corresponded to an increase in hydrodynamic diameters, ranging from 2 to 5 nm, as determined by 1H-DOSY-NMR spectroscopy. Successful surface functionalization was confirmed by signal broadening and a downfield shift in the 1H-NMR spectra. Interestingly, the signals of protons near the core were notably broadened, while those further from the particle surface exhibited sharper signals. 1H-NMR and IR spectroscopy further verified that peptides with two cysteine residues bind to the nanoparticle surface via both thiol groups, as evidenced by the absence of the characteristic thiol vibration. Quantification via 1H-NMR spectroscopy, using maleic acid as an internal standard, revealed a substantial decrease in the number of ligands per nanoparticle, from 175 to 13, as the peptide length increased. This reduction is likely attributed to the increased steric hindrance of the ligands and intermolecular interactions. However, no significant differences were observed when comparing peptides of the same length with different geometries, suggesting that ligand geometry does not play a crucial role and that the peptides likely adopt a disordered, rather than an ordered, brush-like conformation on the nanoparticle surface. This quantification provides important insights into the estimation of ligand numbers per nanoparticle. The second part of the work focused on investigating the influence of nanoparticles on fluorescence quenching and quantum yield of dyes. Based on the findings from the first part, two peptides of different lengths with an N-terminal FITC group were selected as ligands. The fluorescence quenching upon surface attachment and the effect of the distance to the metal core were thoroughly analyzed. For comparison, AF647- terminated particles and nanoparticles functionalized with the tripeptide WAC were also studied. A diameter of approximately 2 nm with a monodisperse size distribution was determined for all particles using various techniques. Quantification was performed using UV-Vis spectroscopy. For Au-AC-FITC, 19 ligands per nanoparticle were determined, and for Au-A3C-FITC, 15 ligands per nanoparticle were identified. For Au-WAC, UV-Vis spectroscopy revealed 53 ligands, while NMR spectroscopy determined a ligand number of 65. The fluorescence intensities of the surface-bound fluorophores showed a significant decrease of approximately 50% compared to the free ligands. No significant difference was observed between the FITC ligands with varying distances from the surface, indicating that the distance to the surface has only a minor impact on fluorescence quenching in these systems. In contrast to classical fluorophores, WAC and Au-WAC exhibited a very weak fluorescence intensity. Temperature-dependent fluorescence measurements revealed a loss of intensity for both the free ligands and the functionalized particles, likely due to increased mobility and frequent non-radiative transitions. A difference in fluorescence was also observed between free and bound ligands. The fluorescence intensity for the unbound FITC ligands decreased by 60%, while for the functionalized particles, the decrease was only 30% upon an increase in temperature. As the temperature increased, the fluorescence intensities approached each other. For both AF647 and Au-AF647, a fluorescence decrease of 90% was observed. Additionally, when considering the absolute quantum yields at room temperature, a clear distinction was observed between the various fluorophores. For FITC, the quantum yield decreased significantly from 93% (AC-FITC) or 89% (A3C-FITC) to 7% (Au-AC-FITC) or 3% (Au-A3C-FITC). This suggests that despite varying distances, there are no significant differences in the quantum yields of the nanoparticles. In contrast, AF647 exhibited only a slight decrease (23% for AF647, 20% for Au-AF647). This can be attributed to the larger overlap between the emission wavelength of FITC (493 nm) and the nanoparticles, leading to higher energy transfer efficiency and, consequently, stronger fluorescence quenching. For WAC, a quantum yield of 6% was determined, while for Au-WAC, it was nearly 0%. Overall, a pronounced quenching effect was observed, indicating energy transfer from the excited fluorophore to the metallic nanoparticle core, suggesting non-radiative deactivation processes. However, differentiation between the different fluorophores is necessary. The distance to the nanoparticle surface did not exhibit a significant influence in the systems studied. This comprehensive study provides valuable insights into the absolute quantum yields of photoluminescence and allows for a quantitative evaluation. Although fluorescence is not entirely quenched by attachment to the nanoparticle surface, ultrasmall gold nanoparticles are generally suitable as fluorescent probes, albeit their fluorescence is significantly weaker than that of the free dyes. The third section of the work concentrated on the photo-switchability of a ligand containing a 3-Azopyridine unit on the nanoparticle surface. For this purpose, dodecanthiol-terminated particles (Au-DDT) were first synthesized via a classic Brust-Schiffrin synthesis. These particles exhibited an average diameter of approximately 2 nm. NMR spectroscopy confirmed successful surface functionalization. ICP-MS determined the ligand number to be 135 ligands per nanoparticle. The azobenzene compound was then attached to the surface via a ligand exchange, which did not affect the particle size. However, the ligand exchange was incomplete, with 66 DDT and 49 azopyridine ligands remaining on the surface. The photo-switchability of the particles was studied using UV-Vis and NMR spectroscopy. It was shown that the bound ligand still exhibited E/Z isomerization upon irradiation with 365 nm light and Z/E isomerization with 520 nm light. NMR spectroscopy confirmed that the photo-stationary state (PSS) displayed similar isomer ratios to those of the free ligand, suggesting that the ligands were not sterically hindered after attachment to the nanoparticles. However, it was observed that the photo-induced isomerization of the bound ligand occurred more slowly than for the free ligand. A control experiment with Au-DDT indicated that the slow isomerization was likely due to the optical density of the brown nanoparticles, rather than the attachment to the nanoparticles. The thermal back-switching was almost identical for both the free and bound ligands, with times of 59 hours and 67 hours, respectively. Mixing the particles with a liquid-crystalline host led to the disappearance of the nematic structure under UV light irradiation and the formation of an isotropic phase. This was attributed to the E/Z isomerization, which hindered the alignment of the mesogens. These findings open up new opportunities for photo-switchable systems at the nanoscale. The retention of photo-switchability in nanoparticles, as well as the transition from the nematic to the isotropic phase under irradiation, holds great potential for the development of photo-responsive materials and enables the creation of photo-switchable nanoparticles with tailored properties. The final part of this study focused on synthesizing literature-reported glutathione-terminated gold nanoparticles to validate the reproducibility of the analytical methods used. The experimental variation in ligand number was approximately 14%, which slightly exceeded the calculated measurement uncertainty of 12% via error propagation. These results suggest that synthesis-related fluctuations, in addition to measurement errors, contribute to the observed variability.