Design, synthesis and application of ultrastable rylene dyes for fluorescent labeling of biomolecules

Studies of organic fluorescent dyes are experiencing a renaissance related to the increasing demands posed by new microscopy techniques for high resolution and high sensitivity. While in the last decade single molecule equipment and methodology has significantly advanced and in some cases reached theoretical limits (e.g. detectors approaching unity quantum yields) unstable emission from chromophores and photobleaching become more and more the bottleneck of the advancement and spreading of single-molecule fluorescence studies. The main goal of this work was the synthesis of fluorophores that are water-soluble, highly fluorescent in an aqueous environment, have a reactive group for attachment to a biomolecule and posses exceptional photostability. An approach towards highly fluorescent, water-soluble and monofunctional perylene-3,4,9,10-tetracarboxdiimide and terrylene-3,4:11,12-tetra carboxidiimide chromophores was presented. A new synthetic strategy for the desymmetrization of perylenetetracarboximides was elaborated; water-solubility was accomplished by introducing sulfonyl substituents in the phenoxy ring. Two strategies have been followed relying on either non-specific or site specific labeling. For this purpose a series of new water-soluble monofunctional perylene and terrylene dyes, bearing amine or carboxy group were prepared. The reactivity and photophysical properties of these new chromophores were studied in aqueous medium. The most suitable chromophores were further derivatized with amine or thiol reactive groups, suitable for chemical modification of proteins. The performance of the new fluorescent probes was assessed by single molecule enzyme tracking, in this case phospholipase acting on phospholipid supported layers. Phospholipase-1 (PLA-1) was labeled with N-hydroxysuccinimide ester functionalized perylene and terrylene derivatives. The purification of the conjugates was accomplished by novel convenient procedure for the removal of unreacted dye from labeled enzymes, which involves capturing excess dye with a solid support. This novel strategy for purification of bioconjugates allows convenient and fast separation of labeled proteins without the need for performing time consuming chromatographic or electrophoretic purification steps. The outstanding photostability of the dyes and, associated therewith, the extended survival times under strong illumination conditions allow a complete characterization of enzyme action on its natural substrates and even connecting enzyme mobility to catalytic activity. For site-specific attachment of the rylene dyes to proteins the chromophores were functionalized with thioesters or nitrilotriacetic acid groups. This allowed attachment of the emitters to the N-terminus of proteins by native chemical ligation or complexation with His-tagged polypeptides at the N- or C-termini, respectively. The synthesis of a water-soluble perylenebis (dicarboximide) functionalized with a thioester group was presented. This chromophore exhibits an exceptional photostability and a functional unit for site-specific labeling of proteins. The suitability of the fluorophore as a covalent label was demonstrated via native chemical ligation with protein containing N-terminal cystein residue. We exploited also oligohisitidine sequences as recognition elements for site-selective labeling. The synthesis of a new water-soluble perylene chromophore, containing a nitrilotriacetic acid functional group was demonstrated, using solution-phase and solid-phase approaches. This chromophore combines the exceptional photophysical properties of the rylene dyes and a recognition unit for site-specific labeling of proteins. An important feature of the label is the unchanged emission of the dye upon complexation with nickel ions.

Oligomerization and protein-protein interactions of the sensory histidine kinase DcuS in Escherichia coli

DcuS is a membrane-integral sensory histidine kinase involved in the DcuSR two-component regulatory system in Escherichia coli by regulating the gene expression of C4-dicarboxylate metabolism in response to external stimuli. How DcuS mediates the signal transduction across the membrane remains little understood. This study focused on the oligomerization and protein-protein interactions of DcuS by using quantitative Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) spectroscopy. A quantitative FRET analysis for fluorescence spectroscopy has been developed in this study, consisting of three steps: (1) flexible background subtraction to yield background-free spectra, (2) a FRET quantification method to determine FRET efficiency (E) and donor fraction (fD = [donor] / ([donor]+[acceptor])) from the spectra, and (3) a model to determine the degree of oligomerization (interaction stoichiometry) in the protein complexes based on E vs. fD. The accuracy and applicability of this analysis was validated by theoretical simulations and experimental systems. These three steps were integrated into a computer procedure as an automatic quantitative FRET analysis which is easy, fast, and allows high-throughout to quantify FRET accurately and robustly, even in living cells. This method was subsequently applied to investigate oligomerization and protein-protein interactions, in particular in living cells. Cyan (CFP) and yellow fluorescent protein (YFP), two spectral variants of green fluorescent protein, were used as a donor-acceptor pair for in vivo measurements. Based on CFP- and YFP-fusions of non-interacting membrane proteins in the cell membrane, a minor FRET signal (E = 0.06 ± 0.01) can be regarded as an estimate of direct interaction between CFP and YFP moieties of fusion proteins co-localized in the cell membrane (false-positive). To confirm if the FRET occurrence is specific to the interaction of the investigated proteins, their FRET efficiency should be clearly above E = 0.06. The oligomeric state of DcuS was examined both in vivo (CFP/YFP) and in vitro (two different donor-acceptor pairs of organic dyes) by three independent experimental systems. The consistent occurrence of FRET in vitro and in vivo provides the evidence for the homo-dimerization of DcuS as full-length protein for the first time. Moreover, novel interactions (hetero-complexes) between DcuS and its functionally related proteins, citrate-specific sensor kinase CitA and aerobic dicarboxylate transporter DctA respectively, have been identified for the first time by intermolecular FRET in vivo. This analysis can be widely applied as a robust method to determine the interaction stoichiometry of protein complexes for other proteins of interest labeled with adequate fluorophores in vitro or in vivo.

Alpha, Omega end group functionalization of RAFT polymers based on pentafluorophenyl esters and methane thiosulfonates

While polymers with different functional groups along the backbone have intensively been investigated, there is still a challenge in orthogonal functionalization of the end groups. Such well-defined systems are interesting for the preparation of multiblock (co) polymers or polymer networks, for bio-conjugation or as model systems for examining the end group separation of isolated polymer chains. rnHere, Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerization was employed as method to investigate improved techniques for an a, w end group functionalization. RAFT produces polymers terminated in an R group and a dithioester-Z group, where R and Z stem from a suitable chain transfer agent (CTA). rnFor alpha end group functionalization, a CTA with an activated pentafluorophenyl (PFP) ester R group was designed and used for the polymerization of various methacrylate monomers, N-isopropylacrylamide and styrene yielding polymers with a PFP ester as a end group. This allowed the introduction of inert propyl amides, of light responsive diazo compounds, of the dyes NBD, Texas Red, or Oregon Green, of the hormone thyroxin and allowed the formation of multiblocks or peptide conjugates. rnFor w end group functionalization, problems of other techniques were overcome through an aminolysis of the dithioester in the presence of a functional methane thiosulfonate (MTS), yielding functional disulfides. These disulfides were stable under ambient conditions and could be cleaved on demand. Using MTS chemistry, terminal methyl disulfides (enabling self-assembly on planar gold surfaces and ligand substitution on gold and semiconductor nanoparticles), butynyl disulfide end groups (allowing the “clicking” of the polymers onto azide functionalized surfaces and the selective removal through reduction), the bio-target biotin, and the fluorescent dye Texas Red were introduced into polymers. rnThe alpha PFP amidation could be performed under mild conditions, without substantial loss of DTE. This way, a step-wise synthesis produced polymers with two functional end groups in very high yields. rnAs examples, polymers with an anchor group for both gold nanoparticles (AuNP) and CdSe / ZnS semi-conductor nanoparticles (QD) and with a fluorescent dye end group were synthesized. They allowed a NP decoration and enabled an energy transfer from QD to dye or from dye to AuNP. Water-soluble polymers were prepared with two different bio-target end groups, each capable of selectively recognizing and binding a certain protein. The immobilization of protein-polymer-protein layers on planar gold surfaces was monitored by surface plasmon resonance.Introducing two different fluorescent dye end groups enabled an energy transfer between the end groups of isolated polymer chains and created the possibility to monitor the behavior of single polymer chains during a chain collapse. rnThe versatility of the synthetic technique is very promising for applications beyond this work.

Synthesis of new xanthene derivatives

Xanthene dyes, including fluorescein, are a well-known class of fluorescent dyes, which have widespread applications in natural sciences. The synthesis of xanthene derivatives via acid catalyzed condensation of substituted phenols with phthalic anhydride, to afford the asymmetric derivatives, is well established. The high temperature, harsh reaction conditions and often low yields make this method less convenient. The synthesis of xanthene dyes by direct modification of the fluorophore moiety is a great option to circumvent the above mentioned drawbacks. rnOur new synthetic strategy for the preparation of novel asymmetric xanthene dyes via direct conversion of hydroxyl groups on 3'- and 6'-positions into leaving groups by mesylation is reported. It was discovered that 3',6'-di-mesylated fluorescein underwent a nucleophilic aromatic substitution with sulfur nucleophiles and afforded new asymmetric xanthene sulfides. rnThe impact of substituents possessing an electron-withdrawing character such as chlorines and bromines was investigated with the aim to improve the aromatic substitution on the electron-rich fluorescein structure. It was observed that the incorporation of these groups did not considerably affect the substitution reaction and the yields were comparable with the unsubstituted fluorescein. rnThis strategy provided novel fluorescent probes with the linker suitable to further modifications. The modifications of the linker delivered fluorescein derivatives that could be used as fluorescent labels in peptides, oligonucleotides and for cell imaging. rnThe hydroxyl group on the linker was modified to achieve potent bioconjugate functionality such as azide. The new fluorescent azides were obtained in a 4-step synthesis, namely 2-(6-(2-azidoethylthio)-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)benzoic acid with an overall yield of 13%, its 2',7'-dichloro derivative with an overall yield of 10% and its 2',4',5'-tribromo derivative with an overall yield of 1%, respectively. rnAn asymmetric xanthene sulfide with an amino functionality placed on the aliphatic linker, namely 2-(6-((2-aminoethyl)thio)-3-oxo-3H-xanthen-9-yl)benzoic acid, was obtained in a 3-step synthesis with an overall yield of 33%. rnThe impact of the substitution with sulfur nucleophiles on the 6'-position of the xanthene moiety on its fluorescent characteristics was investigated. In comparison with fluorescein new asymmetric xanthene sulfides afforded lower extinction coefficients and fluorescent quantum yields. On the other hand, the substitution with a sulfur nucleophile significantly improved the photostability of xanthene dyes. It was shown that after 10 hours of continuous excitation, the asymmetric sulfur-containing xanthene fluorophores exhibited 58-94% of their initial fluorescent intensities. This observation suggested that the novel dyes were 1-2 orders of magnitude more stable than fluorescein. rnThe azido-modified xanthenes were “clicked” via Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition with an oligonucleotide, which contained the terminal alkyne residue. rn

Design of multifunctional magnetic nanomaterials for biomedical applications

Diese Arbeit ist ein Beitrag zu den schnell wachsenden Forschungsgebieten der Nano-Biotechnologie und Nanomedizin. Sie behandelt die spezifische Gestaltung magnetischer Nanomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kontrastmittel für die magnetische Resonanztomographie (MRT) oder "theragnostische" Agenzien für simultane optische/MR Detektion und Behandlung mittels photodynamischer Therapie (PDT).rnEine Vielzahl magnetischer Nanopartikel (NP) mit unterschiedlichsten magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert und erschöpfend charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine ganze Reihe von Oberflächenmodifizierungsstrategien entwickelt, um sowohl die kolloidale als auch die chemische Stabilität der Partikel zu verbessern, und dadurch den hohen Anforderungen der in vitro und in vivo Applikation gerecht zu werden. Diese Strategien beinhalteten nicht nur die Verwendung bi-funktionaler und multifunktioneller Polymerliganden, sondern auch die Kondensation geeigneter Silanverbindungen, um eine robuste, chemisch inerte und hydrophile Siliziumdioxid- (SiO2) Schale um die magnetischen NP auszubilden.rnGenauer gesagt, der Bildungsmechanismus und die magnetischen Eigenschaften monodisperser MnO NPs wurden ausgiebig untersucht. Aufgrund ihres einzigartigen magnetischen Verhaltens eignen sich diese NPs besonders als (positive) Kontrastmittel zur Verkürzung der longitudinalen Relaxationszeit T1, was zu einer Aufhellung im entsprechenden MRT-Bild führt. Tatsächlich wurde dieses kontrastverbessernde Potential in mehreren Studien mit unterschiedlichen Oberflächenliganden bestätigt. Au@MnO „Nanoblumen“, auf der anderen Seite, sind Vertreter einer weiteren Klasse von Nanomaterialien, die in den vergangenen Jahren erhebliches Interesse in der wissenschaftlichen Welt geweckt hat und oft „Nano-hetero-Materialien“ genannt wird. Solche Nano-hetero-partikel vereinen die individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten in einem nanopartikulärem System und erhöhen dadurch die Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. Sowohl die magnetischen Merkmale von MnO, als auch die optischen Eigenschaften von Au bieten die Möglichkeit, diese „Nanoblumen“ für die kombinierte MRT und optische Bildgebung zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Vorliegen zweier chemisch unterschiedlicher Oberflächen die gleichzeitige selektive Anbindung von Katecholliganden (auf MnO) und Thiolliganden (auf Au). Außerdem wurde das therapeutische Potential von magnetischen NPs anhand von MnO NPs demonstriert, die mit dem Photosensibilisator Protoporhyrin IX (PP) funktionalisiert waren. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert PP die Produktion von zytotoxisch-reaktivem Sauerstoff. Wir zeigen, dass Nierenkrebszellen, die mit PP-funktionalisierten MnO NPs inkubiert wurden nach Bestrahlung mit Laserlicht verenden, während sie ohne Bestrahlung unverändert bleiben. In einem ähnlichen Experiment untersuchten wir die Eigenschaften von SiO2 beschichteten MnO NPs. Dafür wurde eigens eine neuartige SiO2-Beschichtungsmethode entwickelt, die einer nachfolgende weitere Anbindung verschiedenster Liganden und die Einlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen durch herkömmliche Silan- Sol-Gel Chemie erlaubt. Die Partikel zeigten eine ausgezeichnete Stabilität in einer ganzen Reihe wässriger Lösungen, darunter auch physiologische Kochsalzlösung, Pufferlösungen und humanes Blutserum, und waren weniger anfällig gegenüber Mn-Ionenauswaschung als einfache PEGylierte MnO NPs. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass die dünne SiO2 Schicht nur einen geringen Einfluss auf das magnetische Verhalten der NPs hatte, so dass sie weiterhin als T1-Kontrastmittel verwendet werden können. Schließlich konnten zusätzlich FePt@MnO NPs hergestellt werden, welche die individuellen magnetischen Merkmale eines ferromagnetischen (FePt) und eines antiferromagnetischen (MnO) Materials vereinen. Wir zeigen, dass wir die jeweiligen Partikelgrößen, und damit das resultierende magnetische Verhalten, durch Veränderung der experimentellen Parameter variieren können. Die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden Materialien kann dabei auf Spinkommunikation an der Grenzfläche zwischen beiden NP-Sorten zurückgeführt werden.rn

Oberflächenplasmonen-artige Resonanzen auf metallischen Gittern

Die Geometrie einer Metalloberfläche bestimmt die Wechselwirkung zwischen der Oberflächenplasmonenresonanz und anderen Energieformen wie Photonen, anderen Oberflächenplasmonen und molekularen Anregungen. In dieser Arbeit wird der Einfluss dieser Effekte auf die optischen Eigenschaften von metallischen Reliefgittern untersucht.Aufgrund von Modellrechungen werden auf tiefen Gitterstrukturen Resonanzen erwartet, die sich als selbstgekoppelte Oberflächenplasmonen interpretieren lassen. Diese Resonanzen wurden aufgrund der Symmetrie des elektromagnetischen Feldes klassifiziert. Es wurden tiefe Gitter mit unterschiedlichen Profilformen hergestellt, die die experimentelle Beobachtung von drei gekoppelten Resonanzen erlauben. Variationen in der Tiefe und Asymmetrie der Gitter sowie in der experimentellen Geometrie zeigen die theoretisch vorausgesagten Effekte.Fluoreszenzfarbstoffe können mit elektromagnetischen Oberflächenresonanzen Energie austauschen. Die Lokalisierung des elektrischen Feldes von gekoppelten Resonanzen führt zu einer Ortsabhängigkeit der Kopplung, die bei 'freien' Oberflächenplasmonen nicht beobachtet wird. Ein theoretisches Modell ist in der Lage, die experimentellen Befunde weitgehend zu beschreiben. Die Ortsabhägigkeit der photochemischen Zerstörungsrate erlaubt die Anwendung dieses Effektes zur Messung von Diffusionsphänomenen in dünnen Filmen.Des weiteren wurde die Polarisationsabhängigkeit der Anregung von Oberflächenplasmonen wurde in konischer Reflexionsgeometrie und die Rolle der Oberflächenplasmonen in der thermisch induzierten Lichtemission untersucht. Ferner wurde eine vereinfachte Auswertungsroutine zur Anwendung von Gittern in der Untersuchung von dünnen dielektrischen Filmen entwickelt.

Synthese und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Oligo- und Poly(2,5-dipropoxy-1,4-phenylenethinylen)en

Oligomere mit konjugierten pi-Elektronensystemen sind für die Materialwissenschaften von großer Bedeutung. Die vielfältigen und umfangreichen Forschungen auf diesem Gebiet gründen im Potenzial dieser Substanzklassen, das im Bereich der Laserfarbstoffe, Leuchtdioden, Photoleiter, optische Schalter oder auch der molekularen Elektronik angesiedelt ist. Zu diesen gehören auch die in dieser Arbeit synthetisierten und untersuchten Phenylenethinylene. Die Herstellung der Oligomere erfolgt nach der Methode von Sonogashira und Hagihara. Dabei wird ein Halogenaren mit einer Alkinkomponente zur Reaktion gebracht. Als Katalysator dient dabei ein Gemisch aus Bis(triphenylphosphin-palladiumdichlorid), Kupfer-(I)-iodid und Triphenylphosphin. Verwendung fanden bei der Synthese zwei Arten von Schutzgruppen. Es handelt sich dabei einerseits um die Trimethylsilyl- und die Triisopropylsilyl-Funktion, die unabhängig voneinander in ein System eingeführt werden und selektiv wieder entfernt werden können. Die zweite Art sind die Halogene Brom und Iod, die aufgrund ihrer Eigenschaft vielmehr als 'dormant group' bezeichnet werden müssen. Eine Ethinylierung führt zunächst zur Substitution des Iod- und anschließend des Bromatoms. Die so erhaltenen Oligomere werden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht. Besonderes Interesse liegt dabei auf der Bestimmung der effektiven Konjugationslänge (EKL). Damit ist es möglich, die Länge des konjugierten Systems zu bestimmen, das für die betreffenden Eigenschaften des entsprechenden Polymers maßgeblich ist. Das nichtlineare optische Verhalten der Oligomere wird mittels der Third-Harmonic-Generation-Methode (THG) gemessen. Die resultierende Größe, die Suszeptibilität 3. Ordnung, gibt Aufschluß über mögliche industrielle Anwendungen.

Funktionalisierte Latexpartikel

In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung neuer auf der Isophthalsäure basieren-der polymerisierbaren Tensiden carboxylfunktionalisierte Latexpartikel hergestellt, charakte-risiert und funktionalisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden 5-(10-Undecenyloxy)isophthalsäure (ISA-Vinyl), 5-(11-(4-Vinylphenoxy)undecyloxy)isophthal-säure (ISA-Sty), 5-(11-(2-Prop-1-enyl)phenoxy)undecyloxy)isophthalsäure (ISA-Pr), 5-(11-(1-Methacryloxy)undecylen)isophthalsäure (ISA-Met) und 5-(10-(3-Methylbut-3-enyl)oxy-1-oxydecylen)isophthalsäure (ISA-Bu) hergestellt. Die Surfmere wurden mit Styrol bzw. mit n-Butylacrylat copolymerisiert. ISA-Bu und ISA-Pr weisen während der Copolymerisation mit Styrol fast ideale Verläufe der Zeit/Umsatz-Kurven auf. Bei der Copolymerisation von ISA-Bu bzw. ISA-Vinyl mit n-Butylmethacrylat wurden ähnliche Ergebnisse erhalten. Die Carboxylgruppen an der Partikeloberfläche wurden mit Halogenderivaten verestert oder mit primären Aminen amidiert. Die funktionalisierten Partikel wurden mit der Polyelektrolyt-titration und konduktometrischen Titration, der IR- und UV-Spektroskopie, der Transmissi-onselektronenmikroskopie, der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktanden kovalent an der Partikeloberfläche gebunden sind. Die Polymerpartikel wurden bei der Herstellung von Immunoassays genutzt. Die Adsorpti-onsisothermen zeigten, dass eine hohe Menge an Rinderserumalbumin an die Partikeloberflä-che physikalisch gebunden werden kann. In dieser Arbeit wurde ein einfaches Immunoassay hergestellt mit Biotin – Avidin als Modellsystem hergestellt. Die Surfmere wurden zur Stabilisierung von Miniemulsionen für die Miniemulsionspolymeri-sation genutzt. Im Laufe dieser Arbeit konnten mit dieser Methode Rylenfarbstoffe in Po-lystyrolpartikel stabilisiert werden.

Markierung der Zellinien im Embryo von Platynereis

Die Zellgenealogie des Polychaeten Platynereis dumerilii wurde durch Farbstoffinjektion in die Blastomeren des 2-, 4- und 8-Zellstadiums, sowie die Zellen 2d, 2d112, 4d und 4d1 untersucht. Injektionen gelangen durch Aufweichung der Vitellinhülle mittels Dithioerythritol und Trypsin. Die injizierten Keime wurden zur Trochophora bzw zum dreisegmentigen Jungwurm aufgezogen, fixiert und mit dem konfokalen Rasterlichtmikroskop dreidimensional aufgenommen. Die animal-vegetale Achse des Frühkeims entspricht der antero-posterioren Achse des Jungwurms. Die Mikromeren des ersten Quartetts sind radiär um die antero-posteriore Achse angeordnet und bilden den Kopf. Die Mikromere 2d proliferiert bilateralsymmetrisch von der dorsalen Mittellinie aus und liefert das gesamte Rumpfektoderm. Indirekt ließ sich ableiten, daß die Mikromeren 2a1 bis 2c1 schmale ektodermale Streifen zwischen Kopf und Rumpf bilden und aus 2a2 und 2c2 das ektodermale Stomodaeum hervorgeht. Die Mikromeren des dritten Quartetts sowie möglicherweise 2b2 bilden 'Ektomesoderm'. 4d proliferiert ebenfalls bilateralsymmetrisch von der dorsalen Mittellinie aus zum Rumpfmesoderm und liefert vielleicht noch kleine Beiträge zum Aufbau des Darmes. Der Mitteldarm stammt von den dotterreichen Makromeren 4A bis 4D.

Synthese und Selbstorganisation von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, Perylendiimidfarbstoffe mit Oligonucleotiden in der Lösung zu verknüpfen. Das Ziel der Arbeit war die nicht-kovalente Synthese von Perylendiimid-DNA- und Protein- supramolekularen Strukturen. Dabei werden die molekularen Erkennungseigenschaften von DNA und Proteinen zunutze gemacht. Insgesamt drei Themenbereiche wurden dabei betrachtet: 1. Synthese und Hybridisierung von symmetrischen und asymmetrischen Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten für die Bildung supramolekularer Strukturen, 2. Erzeugung von Oberflächenstrukturen auf der Basis von Streptavidin-Perylendiimid-Komplexen, 3. Synthese wasserlöslicher Rylenfarbstoffe für Anwendungen in biologischen Systemen. Zur Synthese und Hybridisierung von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten wurde eine neue Idee verfolgt und erfolgreich realisiert. Dabei handelt es sich um die Synthese von Perylendiimid-DNA-Polymeren durch nicht-kovalente Bindungen. Die Basis des entwickelten Konzepts ist die Ausnutzung der Erkennungseigenschaften der DNA, um Perylendiimidmoleküle in eine lineare Makrostruktur zu organisieren, was sonst nur durch komplizierte chemische Polymersynthese zugänglich wäre. Die Selbstorganisation von zwei komplementären Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten (PODN1 und PODN2), die an der 5`-Position verknüpft sind, führte zu einem linearen Perylendiimid-DNA-Polymer in der Form von …ABABABAB…., das mit Hilfe von Gelelektrophorese charakterisiert wurde. Eindrucksvoll war auch die erfolgreiche Kopplung des hydrophoben Perylendiimids mit zwei unterschiedlichen Oligonucleotidsequenzen in der Lösung, um asymmetrische Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugate zu synthetisieren. Mit solchen asymmetrischen Konjugaten konnte die programmierbare Selbstorganisation der Perylendiimid-Oligonucleotide zu einer definierten Polymerstruktur realisiert werden. Die Synthese von PDI-(biotin)2 wurde vorgestellt. Durch die spezifische Erkennungseigenschaft zwischen Biotin und Streptavidin ist es möglich, eine Oberflächenstruktur zu bilden. Die Immobilisierungsexperimente zeigten, dass das PDI (biotin)2 Streptavidin erkennen und binden kann. Dabei konnte eine multischichtige Nanostruktur (5 Doppelschichten) auf einer Goldoberfläche.

Designed functional defects in colloidal photonic crystals: switching, biomonitoring and modified photoluminescence

Es werden zwei komplementäre "bottom-up" Methoden präsentiert, die den kontrollierten Einbau von "intelligenten" planaren Defekten in selbstorganisierte kolloidale photonische Kristalle (KPKs) ermöglichen. Die Defektschicht basiert auf einem funktionellen, nanometer-skalierten dünnen Film, der entweder durch schichtweise ("layer-by-layer") Selbstorganisation und Mikrokontakttransferübertragung oder durch Aufschleudern und einer KPK-Opferfüllung hergestellt wird. Die entwickelten Techniken gestatten die Integration von maßgeschneiderten dünnen Defektfilmen bestehend aus einer enorm großen Vielfalt an Materialien; sie sind kostengünstig und können im größeren Maßstab angewendet werden. Optische Untersuchungen zeigen einen engen, durch den Defekt hervorgerufenen Transmissionszustand in der photonischen Bandlücke. Die Defektwellenlänge hängt von der optischen Dicke der Defektschicht ab. Aktives Schalten der Defektwellenlänge wird erreicht, indem Defektschichten aus Makromolekülen hergestellt werden, die über externe Erreger wie Licht, Temperatur, Redoxzyklen und mechanischen Druck adressiert werden können. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Einklang mit separat durchgeführten Ellipsometrie-Messungen und theoretischen "scalar wave approximation"-Berechnungen. Darüber hinaus werden KPKs mit funktionellen biomolekularen Defekten vorgestellt. Über Verschiebungen der Defektmode können DNA-Konformationsänderungen, die enantioselektive Einlagerung eines chiralen Antitumormedikaments sowie Enzymaktivitäten optisch beobachtet werden. Die Einlagerung von fluoreszierenden Farbstoffen und Quantenpunkten in Defekt-KPKs führt zu einer eindeutigen, durch die photonische Bandlücke und den Defektzustand hervorgerufenen Modifizierung der Photolumineszenz (PL)-Spektren. Schaltbare PL-Modifizierungen werden detektiert, wenn adressierbare Defekt-KPKs verwendet werden.

Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien

„Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien“, Patrick Beyer, Mainz 2007 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung flüssigkristalliner Elastomere unterschiedlicher Polymertopologien vorgestellt. Dabei wurden Systeme synthetisiert, bei denen die mesogenen Einheiten entweder als Seitengruppen an ein Polymerrückgrat angebunden (Seitenkettenelastomere) oder direkt in die Polymerkette integriert (Hauptkettenelastomere) sind (siehe Abbildung). Bezüglich der Seitenkettensysteme konnten erstmals photovernetzbare smektische Seitenkettenpolymere, in denen aufgrund der Anknüpfung eines photoisomerisierbaren Azobenzols eine Photo- modulation der ferroelektrischen Eigenschaften möglich ist, dargestellt werden. Homöotrop orientierte freistehende Filme dieser Materialien konnten durch Spincoaten dargestellt und unter Ausnutzung des Dichroismus der Azobenzole durch geeignete Wahl der Bestrahlungsgeometrie photovernetzt werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde anhand eines nicht vernetzbaren Modellsystems im Detail der Einfluss der trans-cis Isomerisierung des Azobenzols auf die ferroelektrischen Parameter untersucht. Durch zeitaufgelöste Messungen der Absorption der Azobenzole, der spontanen Polarisation und des Direktorneigungswinkels und Auswertung der kinetischen Prozesse konnte eine lineare Abhängigkeit der ferroelektrischen Eigenschaften vom Grad der Isomerisierungsreaktion festgestellt werden. Durch Vergleich dieser in der flüssigkristallinen Phase erhaltenen Ergebnisse mit der Kinetik der thermischen Reisomerisierung in Lösung (Toluol) konnte ferner eine deutliche Reduzierung der Relaxationszeiten in der anisotropen flüssigkristallinen Umgebung festgestellt und auf eine Absenkung der Aktivierungsenergie zurückgeführt werden. Makroskopische Formänderungen der Seitenkettenelastomere am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase konnten jedoch nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden neue Synthesestrategien für die Darstellung von Hauptkettenelastomeren entwickelt, die sich aufgrund der direkten Kopplung von flüssigkristallinem Ordnungsgrad und Polymerkettenkonformation besser für die Herstellung thermischer Aktuatoren eignen. Auf Basis flüssigkristalliner Polymalonate konnten dabei lateral funktionalisierte smektische Hauptkettenpolymere synthetisiert werden, welche erstmals die Darstellung von LC-Hauptkettenelastomeren durch Photovernetzung in der flüssigkristallinen Phase erlauben. Durch laterale Bromierung konnte in diesen Systemen die Kristallisationstendenz der verwendeten Biphenyleinheiten unterdrückt werden. Bezüglich der Photovernetzung konnten zwei neue Synthesemethoden entwickelt werden, bei denen der Vernetzungsschritt entweder durch radikalische Polymerisation lateral angebundener Acrylatgruppen oder durch photoaktive Benzophenongruppen erfolgte. Basierend auf den Benzophenon funktionalisierten Systemen konnte ein neuartiges Verfahren zur Darstellung makroskopisch orientierter Hauptkettenelastomere durch Photovernetzung entwickelt werden. Die Elastomerproben, deren Ordnungsgrad durch Röntgenuntersuchungen ermittelt werden konnte, zeigen am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase eine reversible Formänderung von 40%. Im Gegensatz zu anderen bekannten smektischen Systemen konnten die in dieser Arbeit vorgestellten Elastomere ohne Zerstörung der Phase bis zu 60% entlang der smektischen Schichtnormalen gestreckt werden, was im Kontext einer geringen Korrelation der smektischen Schichten in Hauptkettenelastomeren diskutiert wurde.

Fluorescence close to dielectric interfaces

The aim of the work was to study the correlation between the orientation and excited-state lifetimes of organic dyes close to dielectric interfaces. For this purpose, an experimental setup was designed and built, guiding the light through a prism in total internal reflection geometry. Fluorescence intensities and lifetimes for an ensemble of dye molecules were analyzed as a function of the excitation and detection polarizations. Working close to the total internal reflection angle, the differences between polarization combinations were enhanced. A classical electromagnetic model that assumes a chromophore as a couple of point-like electrical dipoles was developed. A numerical method to calculate the excitation and emission of dye molecules embedded in a multilayer system was implemented, by which full simulation of the time resolved fluorescence experiments was achieved. Free organic dyes and organic dyes covalently bound to polyelectrolyte chains were used. The polymer functionalization process avoided aggregation and provided control over the dyes position, within a few nanometers to the interface. Moreover, by varying the pH, the polymer chains could be deposited on different substrates with different conformations and the resulting fluorescence characteristics analyzed. Initially the fluorescence of organic dyes embedded in a polymer matrix was studied as a function of the distance between the fluorophores and the polymer-air interface. The non-radiative decay rate, vacuum decay rate and the relative angle between the excitation and emission dipoles of the chromophores could be determined. Different free organic dyes were deposited onto different dielectric spacers, as close as possible to the air-dielectric interface. Surprisingly, the fluorescence characteristics of dyes deposited onto polyelectrolyte layer were in good agreement with theoretical predictions of dyes in a polymer matrix, even when the layer was only 2 nm thick. When functionalized chains were deposited at low pH, on top of a polyelectrolyte spacer, the fluorescence had the characteristics of emitters embedded in a polymer matrix as well. Surface deposition at high pH showed an intermediate behaviour between emitters embedded in polymer and on top of the surface, in air. In general, for low pH values, the chains are deposited on a substrate in a train-like conformation. For high pH values, the chains are deposited in a loop-like conformation. As a consequence at low pH the functionalized polymer strongly interdigitates with the polyelectrolyte chains of the spacer, bringing most of the dyes inside the polymer. Thus, the fluorophores may experience the polymer as surrounding environment. On the other hand, for high pH values the dye-loaded chains adsorbed have a conformational arrangement of dense loops that extend away from the surface. Therefore many fluorophores experience the air as surrounding environment. Changing the spacer from polyelectrolyte to negatively charged silane produced contradictory results for lifetimes and intensities. The fluorescence intensities indicated the behaviour of emitters embedded in a polymer matrix, regardless of the pH value. On the other hand, for low pH values, the excited-state lifetimes showed that the emitters behaved as in air. For higher pH values, an intermediate behaviour between fluorophores located within and above of a dielectric film was observed. The poor agreement between theoretical and experimental data may be due to the simplified model utilized, by which the dipoles are assumed either in one side or in the other with respect to a geometrical air-dielectric interface. In the case when the dielectric film is constituted by the functionalized polymer chains themselves, reality is more complex and a different model may apply. Nevertheless, possible applications of the technique arise from a qualitative analysis.

Design und Synthese maßgeschneiderter funktioneller Rylenfarbstoffe

Die vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit der Darstellung und Untersuchung von funktionellen Farbstoffen auf der Basis von Rylendiimiden. Diese Substanzklasse zeichnet sich durch gute Funktionalisierbarkeit, hohe chemische und photochemische Stabilität sowie durch hohe Fluoreszenzquantenausbeuten und Extinktionskoeffizienten aus. Rylendiimide spielen eine bedeutsame Rolle in den modernen Materialwissenschaften. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Synthese und Untersuchung von neuen Perylendiimiden (PDI) im Hinblick auf eine Anwendung in der organischen Elektronik. Das Substitutionsmuster der PDI hat einen signifikanten Einflussrnauf deren supramolekulares Verhalten und die Leistungsfähigkeit in elektronischen Bauteilen. Durch das Einführen neuer Substituenten konnten weitergehende Erkenntnisse über das supramolekulare Verhalten der PDI gewonnenrnwerden. Multichromophore sind wichtige Modellsysteme zur Untersuchung vonrnEnergietransportprozessen und Einzelphotonenquellen. Daher liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Synthese multichromophorer PDI-Systeme. Neben der Darstellung definierter dendritischer Nanoteilchen auf Basis von Poly(phenylenethinylen)-Dendrimeren beschäftigt sich dieser Teil auch mit der Synthese hochverzweigter ethinylverknüpfter Polymere auf Basis von PDI-Monomeren. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen photochemischen Eigenschaften spielen Perylen- und Terrylendiimide eine wichtige Rolle als Fluoreszenzmarker.rnDaher beschäftigt sich ein weiterer Aspekt dieser Arbeit mit der Synthese vonrnFluoreszenzmarkern, die sowohl in Polymerisationsreaktionen als auch inrnbiologischen Systemen Anwendung finden können.

Photonen-Aufkonversion in Nanokapseln

Die vorliegende Dissertation zeigt eine erfolgreiche Verknüpfung der Triplett-Triplett-Annihilations-Aufkonversion (TTA-UC) mit möglichen biologischen Anwendungen. Die Grundlage für solche Anwendungen ist ein Transfer der TTA-UC aus seinem üblicherweise verwendeten organischen Medium in eine wässrige Umgebung. Um diesen Transfer zu realisieren, wurden, unter Anwendung der Technik des Miniemulsionsprozesses, in Wasser dispergierte Nanokapseln herstellt. Der Kern dieser Nanokapseln besteht aus einem flüssigen hydrophoben Medium (meist Hexadekan oder Phenylheptadekan), in dem die zur TTA-UC notwendigen Farbstoffe gelöst sind. Dieser flüssige Kern ist vollständig von einer festen Polymerhülle umschlossen und somit isoliert von seiner wässrigen Umgebung. Es wurden insgesamt drei Generationen solcher Nanokapseln hergestellt, die sich hauptsächlich im Herstellungsprozess, aber auch beim Material von Kern und Hülle unterscheiden. Mittels dieser Variationen konnten die Nanokapseln in Bezug auf Effizienz, Anregungswellenlänge und Sauerstoffempfindlichkeit optimiert werden. Bei der ersten Generation wurde die radikalische Miniemulsionspolymerisation zur Kapselbildung verwendet. Die zweite Generation wurde durch die Kombination des Lösungsmittelverdampfungsprozesses mit dem Miniemulsionsprozess entwickelt und liefert somit eine alternative Möglichkeit der Kapselbildung unter milden Reaktionsbedingungen, was eine uneingeschränkte Auswahl der UC-Farbstoffpaare ermöglicht. Durch den Einsatz unterschiedlicher Sensitizer konnte die Anregungswellenlänge der TTA-UC in den roten und in den nahen Infrarot-Bereich des sichtbaren Spektrums verschoben werden. Diese Verschiebung ist im biologischen Anwendungsbereich von enormer Bedeutung, da dort eine Überlappung mit dem natürlichen optischen Fenster von menschlicher Haut und Gewebe stattfindet. Dies reduziert die Streuung der Anregungsquelle im zu untersuchende Medium und ermöglicht hohe Eindringtiefen. Mit den Kapseln der zweiten Generation wurde zum ersten Mal TTA-UC in lebenden HeLa-Zellen (Krebszellen) und MSCs (Mesenchymale Stammzellen) nachgewiesen. Die verzögerte Fluoreszenz aus den Zellen wurde mit biologischen Standardverfahren, sowohl mit der Durchflusszytometrie (FACS) als auch am cLSM nachgewiesen. Besondere Vorteile gegenüber direkter Fluoreszenz konnten bei der Bildgebung von Zellen erreicht werden. Die relativ energiearme Anregungswellenlänge und die dazu anti-Stokes verschobene, detektierte verzögerte UC-Fluoreszenz lieferte eine bessere Bildqualität und eine sehr geringe Phototoxizität der Zellen. Die Kapseln der dritten Generation zeichnen sich durch ihre anorganische, tetraedrisch verknüpfte SiO2-Hülle aus und wurden mittels einer Grenzflächenreaktion (Sol-Gel-Prozess) in Miniemulsion hergestellt. Diese Kapseln weisen im Vergleich zu den Polymernanokapseln eine bessere UC-Effizienz auf und sind zusätzlich stabiler und robuster.