English Title: Preparation of functionalized, microstructured hydrogels for detection of pH change and enzymatic activity through optical diffraction methods

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Präparation funktionalisierter, mikrostrukturierter Hydrogele zum Nachweis von pH-Änderungen und enzymatischen Reaktionen mittels beugungsoptischer Methoden. Hydrogele sind dreidimensionale elastische Polymernetzwerke, die überwiegend aus einer Flüssigkeit bestehen, die vom Polymernetzwerk umschlossen wird. Hydrogele sind umgebungssensitiv, d.h. sie reagieren mit einer Änderung ihres Quellungszustan-des, wenn sich die Umgebungsbedingungen verändern. Je nach ihrer Zusammensetzung reagieren Hydrogele auf die Änderung der Lösungsmittelzusammensetzung, der Tem-peratur, der Ionenstärke oder des pH-Werts. Das in dieser Arbeit eingesetzte pH-sensitive Hydrogele wurde durch den Einbau der Enzyme Glucoseoxidase und Katalase um eine Selektivität gegenüber Glucose erweitert. Die Funktionsweise des beugungsoptischen Sensors beruht auf der Wechselwirkung eines einfallenden Laserstrahls mit der im Mikrometermaßstab regelmäßig strukturi-erten Hydrogelmatrix. Durch die Beugung des Laserlichts an dem mikrostrukturierten Hydrogel entstehen mehrere Beugungsreflexe. Im Gegensatz zur Lage variieren die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen, wenn die Hydrogelmatrix ihre Form ändert. Das Quellverhalten des pH-sensitiven Hydrogels wurde vor der Verwendung im Sensor an makroskopischen Gelproben in Abhängigkeit von der Ionenstärke und des pH-Werts untersucht. Mit dem beugungsoptischen Sensor und pH-sensitiven Hydrogel wurden Messungen mit unterschiedlich konzentrierten Natriumchlorid-Lösungen und Lösungen mit ver-schiedenen pH-Werten bei konstanter Ionenstärke durchgeführt. Mit dem enzymhalti-gen Hydrogel wurden Messungen mit unterschiedlich konzentrierten Glucoselösungen durchgeführt.

Translation of abstract (English)

This thesis deals with the preparation of functionalized, microstructured hydrogels for detection of pH change and enzymatic activity through optical diffraction methods. Hydrogels are three-dimensional polymer networks immersed in water. Depending on their composition they are sensitive to changes of the solvent composition, the ionic strength, the temperature or the pH-value. The pH-sensitive hydrogel used here was functionalized by the incorporation of the enzymes glucose oxidase and catalase. A diffraction pattern is caused by the interaction of a laser beam with the microstructured hydrogel. The intensity distribution of this diffraction pattern changes due to the change of the shape of the microstructured hydrogel bars. The swelling behavior of the pH-sensitive hydrogel was analyzed depending on the ionic strength and the pH-value. Optical diffraction measurements were performed using the pH-sensitive hydrogele at different sodium chloride concentrations and different pH-values at constant ionic strength. Using the enzyme containing gel optical diffraction measurement with different glucose concentrations were carried out.