Spectroscopic studies on Cyclodextrin and Metal Organic Framework based potential nanovectors for delivery of Anticancer and Antiviral drugs

The aim of this work is to contribute to the development of new multifunctional nanocarriers for improved encapsulation and delivery of anticancer and antiviral drugs. The work focused on water soluble and biocompatible oligosaccharides, the cyclodextrins (CyDs), and a new family of nanostructured, biodegradable carrier materials made of porous metal-organic frameworks (nanoMOFs). The drugs of choice were the anticancer doxorubicin (DOX), azidothymidine (AZT) and its phosphate derivatives and artemisinin (ART). DOX possesses a pharmacological drawback due to its self-aggregation tendency in water. The non covalent binding of DOX to a series of CyD derivatives, such as g-CyD, an epichlorohydrin crosslinked b-CyD polymer (pb-CyD) and a citric acid crosslinked g-CyD polymer (pg-CyD) was studied by UV visible absorption, circular dichroism and fluorescence. Multivariate global analysis of multiwavelength data from spectroscopic titrations allowed identification and characterization of the stable complexes. pg-CyD proved to be the best carrier showing both high association constants and ability to monomerize DOX. AZT is an important antiretroviral drug. The active form is AZT-triphosphate (AZT-TP), formed in metabolic paths of low efficiency. Direct administration of AZT-TP is limited by its poor stability in biological media. So the development of suitable carriers is highly important. In this context we studied the binding of some phosphorilated derivatives to nanoMOFs by spectroscopic methods. The results obtained with iron(III)-trimesate nanoMOFs allowed to prove that the binding of these drugs mainly occurs by strong iono-covalent bonds to iron(III) centers. On the basis of these and other results obtained in partner laboratories, it was possible to propose this highly versatile and “green” carrier system for delivery of phosphorylated nucleoside analogues. The interaction of DOX with nanoMOFs was also studied. Finally the binding of the antimalarial drug, artemisinin (ART) with two cyclodextrin-based carriers,the pb-CyD and a light responsive bis(b-CyD) host, was also studied.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Synthesis of novel solid materials from carbon dioxide and carbon monoxide

The increase of atmospheric CO2 has been identified as the primary cause for the observed global warming over the past century. The geological and oceanic sequestration of CO2 has issues, such as cost and leakage as well as effects on sea biota. The ideal solution should be the conversion of CO2 into useful materials. However, most processes require high energy input. Therefore, it is necessary to explore novel processes with low energy demands to convert CO2 to useful solid materials. Amorphous carbon nitride and graphone received much attention due to their unusual structures and properties as well as their potential applications. However, to date there has been no attempt to synthesize those solid materials from CO2. Lithium nitride (Li3N) and lithium imide (Li2NH) are important hydrogen storage materials. However, their optical properties and reactivity has not yet studied. This dissertation research is aimed at the synthesis of carbon nitrides and graphone from CO2 and CO via their reaction with Li3N and Li2NH. The research was focused on (1) the evaluation of Li3N and Li2NH properties, (2) thermodynamic analysis of conversion of carbon dioxide and carbon monoxide into carbon nitride and other solid materials, (3) synthesis of carbon nitride from carbon dioxide, and (4) synthesis of graphone from carbon monoxide. First, the properties of Li3N, Li2NH, and LiNH2 were investigated. The X-ray diffraction measurements revealed that heat-treatment at 500°C introduce a phase transformation of β-Li3N to α-Li3N. Furthermore, the UV-visible absorption evaluation showed that the energy gaps of α-Li3N and β-Li3N are 1.81 and 2.14 eV, respectively. The UV-visible absorption measurements also revealed that energy gaps are 3.92 eV for Li2NH and 3.93 eV for LiNH2. This thermodynamic analysis was performed to predict the reactions. It was demonstrated that the reaction between carbon dioxide and lithium nitride is thermodynamically favorable and exothermic, which can generate carbon nitride and lithium cyanamide. Furthermore, the thermodynamic calculation indicated that the reaction between carbon monoxide and lithium imide can produce graphone and lithium cyanamide along with releasing heat. Based on the above thermodynamic analysis, the experiment of CO2 and Li3N reaction and CO and Li2NH were carried out. It was found that the reaction between CO2 and Li3N is very fast and exothermic. The XRD and element analysis revealed that the products are crystal lithium cyanamide and amorphous carbon nitrides with Li2O and Li2CO3. Furthermore, TEM images showed that carbon nitrides possess layer-structure, namely, it is graphene-structured carbon nitride. It was found that the reaction between Li2NH and CO was also exothermic, which produced graphone instead of carbon nitride. The composition and structures of graphone were evaluated by XRD, element analysis, TEM observation, and Raman spectra.

Boron nitride nanotubes : synthesis, characterization, functionalization, and potential applications

Boron nitride nanotubes (BNNTs) are structurally similar to carbon nanotubes (CNTs), but exhibit completely different physical and chemical properties. Thus, BNNTs with various interesting properties may be complementary to CNTs and provide an alternative perspective to be useful in different applications. However, synthesis of high quality of BNNTs is still challenging. Hence, the major goals of this research work focus on the fundamental study of synthesis, characterizations, functionalization, and explorations of potential applications. In this work, we have established a new growth vapor trapping (GVT) approach to produce high quality and quantity BNNTs on a Si substrate, by using a conventional tube furnace. This chemical vapor deposition (CVD) approach was conducted at a growth temperature of 1200 °C. As compared to other known approaches, our GVT technique is much simpler in experimental setup and requires relatively lower growth temperatures. The as-grown BNNTs are fully characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), Energy Filtered Mapping, Raman spectroscopy, Fourier Transform Infra Red spectroscopy (FTIR), UV-Visible (UV-vis) absorption spectroscopy, etc. Following this success, the growth of BNNTs is now as convenient as growing CNTs and ZnO nanowires. Some important parameters have been identified to produce high-quality BNNTs on Si substrates. Furthermore, we have identified a series of effective catalysts for patterned growth of BNNTs at desirable or pre-defined locations. This catalytic CVD technique is achieved based on our finding that MgO, Ni or Fe are the good catalysts for the growth of BNNTs. The success of patterned growth not only explains the role of catalysts in the formation of BNNTs, this technique will also become technologically important for future device fabrication of BNNTs. Following our success in controlled growth of BNNTs on substrates, we have discovered the superhydrophobic behavior of these partially vertically aligned BNNTs. Since BNNTs are chemically inert, resistive to oxidation up to ~1000°C, and transparent to UV-visible light, our discovery suggests that BNNTs could be useful as self-cleaning, insulating and protective coatings under rigorous chemical and thermal conditions. We have also established various approaches to functionalize BNNTs with polymeric molecules and carbon coatings. First, we showed that BNNTs can be functionalized by mPEG-DSPE (Polyethylene glycol-1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine), a bio-compatible polymer that helps disperse and dissolve BNNTs in water solution. Furthermore, well-dispersed BNNTs in water can be cut from its original length of >10µm to(>20hrs). This success is an essential step to implement BNNTs in biomedical applications. On the other hand, we have also succeeded to functionalize BNNTs with various conjugated polymers. This success enables the dispersion of BNNTs in organic solvents instead of water. Our approaches are useful for applications of BNNTs in high-strength composites. In addition, we have also functionalized BNNTs with carbon decoration. This was performed by introducing methane (CH4) gas into the growth process of BNNT. Graphitic carbon coatings can be deposited on the side wall of BNNTs with thicknesses ranging from 2 to 5 nm. This success can modulate the conductivity of pure BNNTs from insulating to weakly electrically conductive. Finally, efforts were devoted to explore the application of the wide bandgap BNNTs in solar-blind deep UV (DUV) photo-detectors. We found that photoelectric current generated by the DUV light was dominated in the microelectrodes of our devices. The contribution of photocurrent from BNNTs is not significant if there is any. Implication from these preliminary experiments and potential future work are discussed.

PROPERTIES AND STRUCTURES OF Li-N BASED HYDROGEN STORAGE MATERIALS

Traditional transportation fuel, petroleum, is limited and nonrenewable, and it also causes pollutions. Hydrogen is considered one of the best alternative fuels for transportation. The key issue for using hydrogen as fuel for transportation is hydrogen storage. Lithium nitride (Li3N) is an important material which can be used for hydrogen storage. The decompositions of lithium amide (LiNH2) and lithium imide (Li2NH) are important steps for hydrogen storage in Li3N. The effect of anions (e.g. Cl-) on the decomposition of LiNH2 has never been studied. Li3N can react with LiBr to form lithium nitride bromide Li13N4Br which has been proposed as solid electrolyte for batteries. The decompositions of LiNH2 and Li2NH with and without promoter were investigated by using temperature programmed decomposition (TPD) and X-ray diffraction (XRD) techniques. It was found that the decomposition of LiNH2 produced Li2NH and NH3 via two steps: LiNH2 into a stable intermediate species (Li1.5NH1.5) and then into Li2NH. The decomposition of Li2NH produced Li, N2 and H2 via two steps: Li2NH into an intermediate species --- Li4NH and then into Li. The kinetic analysis of Li2NH decomposition showed that the activation energies are 533.6 kJ/mol for the first step and 754.2 kJ/mol for the second step. Furthermore, XRD demonstrated that the Li4NH, which was generated in the decomposition of Li2NH, formed a solid solution with Li2NH. In the solid solution, Li4NH possesses a similar cubic structure as Li2NH. The lattice parameter of the cubic Li4NH is 0.5033nm. The decompositions of LiNH2 and Li2NH can be promoted by chloride ion (Cl-). The introduction of Cl- into LiNH2 resulted in the generation of a new NH3 peak at low temperature of 250 °C besides the original NH3 peak at 330 °C in TPD profiles. Furthermore, Cl- can decrease the decomposition temperature of Li2NH by about 110 °C. The degradation of Li3N was systematically investigated with techniques of XRD, Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and UV-visible spectroscopy. It was found that O2 could not affect Li3N at room temperature. However, H2O in air can cause the degradation of Li3N due to the reaction between H2O and Li3N to LiOH. The produced LiOH can further react with CO2 in air to Li2CO3 at room temperature. Furthermore, it was revealed that Alfa-Li3N is more stable in air than Beta-Li3N. The chemical stability of Li13N4Br in air has been investigated by XRD, TPD-MS, and UV-vis absorption as a function of time. The aging process finally leads to the degradation of the Li13N4Br into Li2CO3, lithium bromite (LiBrO2) and the release of gaseous NH3. The reaction order n = 2.43 is the best fitting for the Li13N4Br degradation in air reaction. Li13N4Br energy gap was calculated to be 2.61 eV.

Laser-induced transient grating analysis of dynamics of interaction between sensory rhodopsin II D75N and the HtrII transducer.

The interaction between sensory rhodopsin II (SRII) and its transducer HtrII was studied by the time-resolved laser-induced transient grating method using the D75N mutant of SRII, which exhibits minimal visible light absorption changes during its photocycle, but mediates normal phototaxis responses. Flash-induced transient absorption spectra of transducer-free D75N and D75N joined to 120 amino-acid residues of the N-terminal part of the SRII transducer protein HtrII (DeltaHtrII) showed only one spectrally distinct K-like intermediate in their photocycles, but the transient grating method resolved four intermediates (K(1)-K(4)) distinct in their volumes. D75N bound to HtrII exhibited one additional slower kinetic species, which persists after complete recovery of the initial state as assessed by absorption changes in the UV-visible region. The kinetics indicate a conformationally changed form of the transducer portion (designated Tr*), which persists after the photoreceptor returns to the unphotolyzed state. The largest conformational change in the DeltaHtrII portion was found to cause a DeltaHtrII-dependent increase in volume rising in 8 micros in the K(4) state and a drastic decrease in the diffusion coefficient (D) of K(4) relatively to those of the unphotolyzed state and Tr*. The magnitude of the decrease in D indicates a large structural change, presumably in the solvent-exposed HAMP domain of DeltaHtrII, where rearrangement of interacting molecules in the solvent would substantially change friction between the protein and the solvent.

1,2-Bis(2-benzimidazolyl)-1,2-ethanediol, a chiral, tridentate, facially coordinating ligand

The ligand 1,2-bis(1H-benzimidazol-2-yl)-1,2-ethanediol, 1, and its methylated derivative 2 are readily synthesized from tartaric acid, and act as chiral, facially coordinating tridentate ligands, forming complexes of composition ML2 with octahedral transition metals. The copper(II) complexes show distorted 4 + 2 coordination with benzimidazoles occupying the equatorial sites and alcohol functions weakly binding in the axial sites. Nickel(II) complexes in three different states of protonation show regular octahedral geometry with the alcohols mutually cis. Deprotonation of the coordinated alcohol produces little structural change but the monodeprotonated complex forms a hydrogen bonded dimer. Magnetic measurements show the hydrogen bonded bridge to offer a pathway for weak antiferromagnetic coupling. UV-Visible spectroscopy shows the ligand to have a field intermediate between water and pyridine. The diastereoselectivity of complexation depends on the geometry: nickel(II) shows a weak preference for the homochiral complex, whereas copper(II) forms almost exclusively homochiral complexes.

Layer-by-layer grown scalable redox-active ruthenium-based molecular multilayer thin films for electrochemical applications and beyond

Here we report the first study on the electrochemical energy storage application of a surface-immobilized ruthenium complex multilayer thin film with anion storage capability. We employed a novel dinuclear ruthenium complex with tetrapodal anchoring groups to build well-ordered redox-active multilayer coatings on an indium tin oxide (ITO) surface using a layer-by-layer self-assembly process. Cyclic voltammetry (CV), UV-Visible (UV-Vis) and Raman spectroscopy showed a linear increase of peak current, absorbance and Raman intensities, respectively with the number of layers. These results indicate the formation of well-ordered multilayers of the ruthenium complex on ITO, which is further supported by the X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The thickness of the layers can be controlled with nanometer precision. In particular, the thickest layer studied (65 molecular layers and approx. 120 nm thick) demonstrated fast electrochemical oxidation/reduction, indicating a very low attenuation of the charge transfer within the multilayer. In situ-UV-Vis and resonance Raman spectroscopy results demonstrated the reversible electrochromic/redox behavior of the ruthenium complex multilayered films on ITO with respect to the electrode potential, which is an ideal prerequisite for e.g. smart electrochemical energy storage applications. Galvanostatic charge–discharge experiments demonstrated a pseudocapacitor behavior of the multilayer film with a good specific capacitance of 92.2 F g−1 at a current density of 10 μA cm−2 and an excellent cycling stability. As demonstrated in our prototypical experiments, the fine control of physicochemical properties at nanometer scale, relatively good stability of layers under ambient conditions makes the multilayer coatings of this type an excellent material for e.g. electrochemical energy storage, as interlayers in inverted bulk heterojunction solar cell applications and as functional components in molecular electronics applications.

Plant Adenosine 5′-phosphosulfate Reductase Is a Novel Iron-Sulfur Protein

Adenosine 5′-phosphosulfate reductase (APR) catalyzes the two-electron reduction of adenosine 5′-phosphosulfate to sulfite and AMP, which represents the key step of sulfate assimilation in higher plants. Recombinant APRs from both Lemna minorand Arabidopsis thaliana were overexpressed inEscherichia coli and isolated as yellow-brown proteins. UV-visible spectra of these recombinant proteins indicated the presence of iron-sulfur centers, whereas flavin was absent. This result was confirmed by quantitative analysis of iron and acid-labile sulfide, suggesting a 4Fe-4S cluster as the cofactor. EPR spectroscopy of freshly purified enzyme showed, however, only a minor signal at g = 2.01. Therefore, Mössbauer spectra of 57Fe-enriched APR were obtained at 4.2 K in magnetic fields of up to 7 tesla, which were assigned to a diamagnetic 4Fe-4S2+ cluster. This cluster was unusual because only three of the iron sites exhibited the same Mössbauer parameters. The fourth iron site gave, because of the bistability of the fit, a significantly smaller isomer shift or larger quadrupole splitting than the other three sites. Thus, plant assimilatory APR represents a novel type of adenosine 5′-phosphosulfate reductase with a 4Fe-4S center as the sole cofactor, which is clearly different from the dissimilatory adenosine 5′-phosphosulfate reductases found in sulfate reducing bacteria.

Efecto de la potencia de la unidad de fotopolimerización y del tiempo de fotoactivación sobre la transmitancia de las resinas reforzadas

Las propiedades ópticas de las resinas reforzadas resultan de vital importancia para el logro de restauraciones estéticas, sobre todo en lo referente a color y traslucidéz de las mismas, así como el mantenimiento de esas propiedades en función del tiempo. Ellas dependen de la composición del material y de su manipulación (tiempo de aplicación de una radiación electromagnética adecuada y la potencia de la unidad de fotopolimerización). Una de las formas de observar el comportamiento de estos materiales ante una radiación electromagnética, luego de polimerizados, es medir la transmitancia. El objetivo de este trabajo fue comparar la transmitancia de las resinas reforzadas polimerizadas con distintos tiempos de exposición a la fuente lumínica y diferentes potencias de la misma. Para ello se emplearon muestras de un mismo material de iguales dimensiones, divididos en dos grupos. La variable del grupo 1 fue el tiempo de exposición a la luz, mientras que la del grupo 2 fue la potencia de la fuente de fotoactivación. Para observar la transmitancia de las muestras fue empleado un espectrofotómetro UV- visible, que relaciona la transmitancia con diferentes longitudes de onda, permitiéndonos comparar curvas que representan el comportamiento del material. Los resultados que fueron observados muestran las coincidencias de las mencionadas curvas en ambos grupos y entre las muestras del mismo grupo, para las longitudes de onda cercanas a la luz visible, no así para las correspondientes a las ultravioletas. Pasado un mes de almacenamiento de las muestras, se observaron algunas diferencias en las lecturas de las curvas.

Optical characterisation of semi-transparent PV modules for building integration

A complete characterisation of PV modules for building integration is needed in order to know their influence on the building’s global energy balance. Specifically, certain characteristic parameters should be obtained for each different PV module suitable for building integrated photovoltaics (BIPV), some by direct or indirect measurements at the laboratory, and others by monitoring the element performance mounted in real operating conditions. In the case of transparent building envelopes it is particularly important to perform an optical and thermal characterization of the PV modules that would be integrated in them. This paper addresses the optical characterization of some commercial thin-film PV modules having different degrees of transparency, suitable for building integration in façades. The approach is based on the measurement of the spectral UV/Vis/NIR reflectance and transmittance of the different considered samples, both at normal incidence and as a function of the angle of incidence. With the obtained results, the total and zoned UV, visible and NIR transmission and reflection values are calculated, enabling the correct characterization of the PV modules integrated in façades and the subsequent evaluation of their impact over the electrical, thermal and lighting performance in a building.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Structure and function in rhodopsin: Packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain are coupled*

A previous study of the retinitis pigmentosa mutation L125R and two designed mutations at this site, L125A and L125F, showed that these mutations cause partial or total misfolding of the opsins expressed in COS cells from the corresponding mutant opsin genes. We now report on expression and characterization of the opsins from the following retinitis pigmentosa mutants in the transmembrane domain of rhodopsin that correspond to six of the seven helices: G51A and G51V (helix A), G89D (helix B), A164V (helix D), H211P (helix E), P267L and P267R (helix F), and T297R (helix G). All the mutations caused partial misfolding of the opsins as observed by the UV/visible absorption characteristics and by separation of the expressed opsins into fractions that bound 11-cis-retinal to form the corresponding mutant rhodopsins and those that did not bind 11-cis-retinal. Further, all the mutant rhodopsins prepared from the above mutants, except for G51A, showed strikingly abnormal bleaching behavior with abnormal metarhodopsin II photointermediates. The results show that retinitis pigmentosa mutations in every one of the transmembrane helices can cause misfolding of the opsin. Therefore, on the basis of these and previous results, we conclude that defects in the packing of the transmembrane helices resulting from these mutations are relayed to the intradiscal domain, where they cause misfolding of the opsin by inducing the formation of a disulfide bond other than the native Cys-110—Cys-187 disulfide bond. Thus, there is coupling between packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain.

Ferredoxin and ferredoxin–heme maquettes

A 16-amino acid residue peptide derived from a consensus motif of natural ferredoxins incorporates a tetranuclear iron sulfur cluster under physiological conditions. Successful assembly of the [4Fe–4S]2+/1+ cluster within a monomeric peptide was demonstrated using size exclusion chromatography, UV-visible, visible CD, and cryogenic EPR spectroscopies. The robustness of [4Fe–4S]2+/1+ formation was tested using peptides with either the ligating cysteine exchanged for alanine or with the intervening amino acids replaced by glycine. The small size of the peptide allows for modular incorporation into more complex protein structures. In one larger structure, we describe a tetra-α-helix bundle that self-assembles both iron–sulfur clusters and hemes, thereby demonstrating feasibility for the general synthesis of maquettes containing multiple, juxtaposed redox cofactors. This is a motif common to the catalytic sites of native oxidoreductases.

Photo-induced inactivation of viruses: adsorption of methylene blue, thionine, and thiopyronine on Qbeta bacteriophage.

The adsorption of cationic organic dyes (methylene blue, thionine, and thiopyronine) on Qbeta bacteriophage was studied by UV-visible and fluorescence spectroscopy. The dyes have shown a strong affinity to the virus and some have been used as sensitizers for photo-induced inactivation of virus. In the methylene blue concentration range of 0.1-5 microM and at high ratios of dye to virus (greater than 1000 dye molecules per virion), the dyes bind as aggregates on the virus. Aggregation lowers the efficiency of photoinactivation because of self-quenching of the dye. At lower ratios of dye to virus (lower than 500 dye molecules per virion), the dye binds to the virus as a monomer. Fluorescence polarization and time-resolved studies of the fluorescence support the conclusions based on fluorescence quenching. Increasing the ionic strength (adding NaCl) dissociates bound dye aggregates on the virus and releases monomeric dye into the bulk solution.