Nanoparticles and nanoclusters : Novel Performance in Life Science

Abstract

This cumulative dissertation focused on the investigation of nanoparticles (NPs) and nanoclusters (NCs), which are known for their extraordinary properties at the nanoscale. These nanomaterials have great potential for biological applications. More efforts were put into this subject during my PhD study, and these works are mainly divided into two parts: the enzymatic degradation on polymer shell of NPs as well as the fluorescence origin of Au NCs and Ag NCs. Firstly, iron oxide NPs with core sizes around 4 nm were synthesized. Then, surface modification was performed by polymer coating and conjugation with different fluorophores using different chemistries. After exposing the modified NPs to several species of enzymes/enzyme mixtures, the degradation of the polymer shell can be observed through the dissociation of fluorophores from NPs. The results indicate the enzymatic cleavage percentage of the fluorophore-modified organic surface coating depends on the conjugation chemistry used and the types of enzymes to which the NPs are exposed. This work represents significant importance in forecasting the digestion of NPs in biological environment, and has relevance for NP-based in vitro and in vivo delivery or other potential applications. In the second part, the photoluminescence properties of Au NCs and Ag NCs were intensively studied. By monitoring the in-site synthesis, the formation processes of these NCs were known. In addition, influences of capping ligands, metal core, oxidation state as well as solvent on their fluorescence were also largely investigated. By changing different physico-chemical parameters, their luminescence properties were also altered due to different mechanisms as described in this thesis. In these studies, a comprehensive understanding about the fluorescence origin of Au and Ag NCs is achieved. These fundamental knowledges enable us to tailor the NCs’ luminescence, thus their applications in in vivo imaging can be advanced.

Diese kumulative Dissertation konzentrierte sich auf Nanopartikel (NPs) und Nanocluster (NCs), die für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften auf der Nanoskala bekannt sind. Diese Nanomaterialien besitzen ein großes Potenzial für biologische Anwendungen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit wurden weitere Anstrengungen in diese Richtung unternommen, und diese Arbeiten gliedern sich hauptsächlich in zwei Teile: Den Abbau von Enzymen auf der Polymerhülle von NPs sowie den Fluoreszenzursprung von Gold (Au) und Silber (Ag) NCs. Zunächst wurden Eisenoxid-NPs mit einer Kerngröße von etwa 4 nm hergestellt. Dann wurde eine Oberflächenmodifikation durch Polymerbeschichtung und Konjugation mit verschiedenen Fluorophoren unter Verwendung verschiedener Synthesemethoden durchgeführt. Nach der Exposition mit verschiedenen Arten von Enzymen/Enzymmischungen kann der Abbau der Polymerhülle durch Dissoziation von Fluorophoren aus NP beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der prozentuale Anteil der enzymatischen Spaltung der mit Fluorophoren modifizierten organischen Oberflächenbeschichtung von der Konjugationschemie und der Art der Enzymen abhängt, denen die NP ausgesetzt sind. Diese Arbeit hat Bedeutung für die Vorhersage der Verdauung von NPs in biologischer Umgebung und ist für die NP-basierte In-vitro- und In-vivo-Verabreichung oder andere potenzielle Anwendungen relevant. Im zweiten Teil wurden die Photolumineszenzeigenschaften von Au-NCs und Ag-NCs intensiv untersucht. Aus der Beobachtung der In-Site-Synthese war der Bildungsprozess dieser NCs bekannt. Darüber hinaus wurden Einflüsse der Verkappungsliganden, des Metallkerns, des Oxidationszustandes sowie des Lösungsmittels auf deren Fluoreszenz weitreichend untersucht. Durch die Variation verschiedener physikalisch-chemischer Parameter wurden ihre Lumineszenzeigenschaften zusätzlich durch unterschiedliche Mechanismen variiert, wie in dieser Arbeit beschrieben. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Verständnis des Fluoreszenzursprungs von Au- und Ag-NCs erreicht. Mit diesen grundlegenden Kenntnissen zur Kontrolle der Lumineszenz von NCs kann deren Anwendung auf die In-vivo-Bildgebung vorangetrieben werden.