Birgit Nagel

• In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung neuer „smarter“ Redoxhydrogele mit drei verschiedenen funktionellen Eigenschaften und deren erfolgreicher Einsatz zur elektrochemischen Kontaktierung von Oxidoreduktasen beschrieben. Diese neuen Redoxpolymere 1. tragen kovalent integrierte Redoxzentren umgeben von einer hydrophilen Polymermatrix, 2. reaktive Kopplungsgruppen für den Aufbau selbstassemblierter Polymerschichten auf Elektrodenoberflächen und 3. lassen sich in ihrer Redoxaktivität durch Verwendung „intelligenter“ Polymere über externe Stimuli kontrollieren. Die Redoxhydrogele wurden nach dem Vorbild eines Baukastensystems in einfachen Ein-Stufen-Synthesen synthetisiert. Dazu wurden verschiedene Redoxzentren (Ferrocen, 1,10-Phenanthrolin-5,6-dion und 4-Carboxy-2,5,7-Trinitro-9-fluorenon), reaktive Kopplungsgruppen (Epoxy-, Amino-, Thiol- oder Disulfidfunktionen) und Polymermatrices (Poly-(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) und Poly(ethylenglykolmethacrylat) (PEGMA)) in unterschiedlichen Zusammensetzungen miteinanderIn dieser Arbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung neuer „smarter“ Redoxhydrogele mit drei verschiedenen funktionellen Eigenschaften und deren erfolgreicher Einsatz zur elektrochemischen Kontaktierung von Oxidoreduktasen beschrieben. Diese neuen Redoxpolymere 1. tragen kovalent integrierte Redoxzentren umgeben von einer hydrophilen Polymermatrix, 2. reaktive Kopplungsgruppen für den Aufbau selbstassemblierter Polymerschichten auf Elektrodenoberflächen und 3. lassen sich in ihrer Redoxaktivität durch Verwendung „intelligenter“ Polymere über externe Stimuli kontrollieren. Die Redoxhydrogele wurden nach dem Vorbild eines Baukastensystems in einfachen Ein-Stufen-Synthesen synthetisiert. Dazu wurden verschiedene Redoxzentren (Ferrocen, 1,10-Phenanthrolin-5,6-dion und 4-Carboxy-2,5,7-Trinitro-9-fluorenon), reaktive Kopplungsgruppen (Epoxy-, Amino-, Thiol- oder Disulfidfunktionen) und Polymermatrices (Poly-(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) und Poly(ethylenglykolmethacrylat) (PEGMA)) in unterschiedlichen Zusammensetzungen miteinander copolymerisiert. Die Polymere wurden in Form von dünnen Polymerfilmen über die wiederholenden Funktionalitäten auf Elektrodenoberflächen aufgebracht und physiko- und elektrochemisch charakterisiert. Durch die erstmals gezeigte, derartige Ankopplung der Polymere, entstehen dreidimensionale, hydrophile selbstassemblierte Polymerschichten. Die Elektronentransferwege sind kurz und der Elektronentransfer effizient. Diese Polymer-modifizierten Elektroden wurden für die Kontaktierung von zwei exemplarisch ausgewählten Oxidoreduktasen eingesetzt, die Nicotinsäureamid-adenin-dinucleotid-abhängige Glucosedehydrogenase (NAD-GDH), welche ein freibewegliches Coenzym und die Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glucosedehydrogenase (PQQ-GDH), welche ein prosthetisches Coenzym verwenden. Die Redoxaktivitäten des PNIPAMFoxy- und PEGMA-Fc-Polymers ließen sich durch externe Stimuli in Form von Temperatur und Calciumkonzentrationen kontrollieren. Ein Modell für die Komplexierung der Calciumionen durch die PEG-Seitenketten unter Ausbildung Kronenether-ähnlicher Strukturen und der daraus resultierenden Steigerung des Elektronentransfers wurde gezeigt.…
• This work describes the development and characterization of new, smart redox polymeres with three functionalities and their use in electrochemical wiring of oxidoreductases. These polymers 1. bear redox-active sites surrounded by hydrophilic polymeric matrix 2. surface-reactive groups to create self-assembled monolayers on electrodes 3. ionic-tunable redox activities by using stimuli-responsive polymers The syntheses of the redoxpolymers were resolved in simple one-step approaches using a building block system. Different mediators (ferrocene, 1,10-phenanthroline-5,6-dione and 4-carboxy-2,5,7-trinitro-9-fluorenone), reactive anchoring groups (groups epoxide, amine, thiol and disulfide) and polymer matrices (poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly(ethylene glycol methacrylate) (PEGMA)) were copolymerized in different compositions. The polymers were anchored to electrode surfaces via the repetitive functionalities and physico- and electrochemical characterized. This kind of anchoring of the redoxpolymers was shown for the first timeThis work describes the development and characterization of new, smart redox polymeres with three functionalities and their use in electrochemical wiring of oxidoreductases. These polymers 1. bear redox-active sites surrounded by hydrophilic polymeric matrix 2. surface-reactive groups to create self-assembled monolayers on electrodes 3. ionic-tunable redox activities by using stimuli-responsive polymers The syntheses of the redoxpolymers were resolved in simple one-step approaches using a building block system. Different mediators (ferrocene, 1,10-phenanthroline-5,6-dione and 4-carboxy-2,5,7-trinitro-9-fluorenone), reactive anchoring groups (groups epoxide, amine, thiol and disulfide) and polymer matrices (poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), poly(ethylene glycol methacrylate) (PEGMA)) were copolymerized in different compositions. The polymers were anchored to electrode surfaces via the repetitive functionalities and physico- and electrochemical characterized. This kind of anchoring of the redoxpolymers was shown for the first time and three-dimensional hydropilic self-assembled polymer monolayers are created. The electron transfer pathways are short and the electron tranfer efficient. The polymer-modified electrodes were applied for wiring two oxidoreductases, nicotinamide-adenine-dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase (NAD-GDH) with a diffusing coenzyme and the pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH) with a prosthetic coenzyme. The redox activities of PNIPAMFoxy and PEGMA-Fc-SS are tuneable with external stimuli like temperature and calcium concentrations. A model for the complexation of calcium by PEG side chains and the explanation of the resulting effects was shown.…