Electron migration in DNA matrix: an electron transfer reaction

Este artigo apresenta uma área de pesquisa atual, ativa e interessante. Descreve a investigação da química de transferência de elétrons (TE) de um modo geral e resultados de TE em DNA em particular. Dois intercalantes de DNA foram utilizados: Ethidium Bromide como doador (D) e Methyl-viologen como receptor (A), o primeiro intercala-se entre as bases do DNA e o último na sua superfície. Utilizando o modelo de Perrin e medidas de Supressão de Fluorescência obteve-se a distância de migração do elétron; aqui a distância foi considerada o espaçamento linear entre as moléculas de doador e receptor ao longo da molécula de DNA. O valor determinado foi de 22,6 ± 1,1 angstrons e o número de pares de bases entre doador e receptor de 6,6. Na literatura os valores encontrados foram de 26 angstrons e de quase 8 pares de bases. Considera-se que a transferência de elétrons em DNA seja mediada através das interações através do espaço entre os elétrons do tipo p contido nos pares de bases.

Electron transfer between adjacent layers in self-assembled films

A simple model of electron transfer is adapted to explain fluorescence quenching in self-assembled films of poly( p-phenylene vinylene) (PPV) alternating with poly(thiophene acetic acid) (PTAA). Quenching is caused by a photo-induced electron transfer between the excited PPV (donor, D) and the PTAA (acceptor, A). The electron-transfer process can be mediated by insertion of electronically inert spacing bilayers between the D and A layers, As the number of bilayers is increased, the fluorescence is gradually recovered which is explained theoretically by assuming that the electron-transfer rate can be described as k = Z exp(- beta r) where r is the distance between D and A. (C) 2000 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Determination of site-site distance and site concentration within polymer beads: A combined swelling-electron paramagnetic resonance study

[GRAPHICS]This work proposes a combined swelling-electron paramagnetic resonance (EPR) approach aiming at determining some unusual polymer solvation parameters relevant for chemical processes occurring inside beads. Batches of benzhydrylamine-resin (BHAR), a copolymer of styrene-1% divinylbenzene containing phenylmethylamine groups were, labeled with the paramagnetic amino acid 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl-4-amine-4-carboxylic acid (TOAC), and their swelling properties and EPR spectra were examined in DCM and DMF. By taking into account the BHARs labeling degrees, the corresponding swelling values, and some polymer structural characteristics, it was possible to calculate polymer swelling parameters, among them, the volume and the number of sites per bead, site-site distances and site concentration. The latter values ranged from 17 to 170 angstrom and from 0.4 to 550 mM, respectively. EPR spectroscopy was applied to validate the multistep calculation strategy of these swelling parameters. Spin-spin interaction was detected in the labeled resins at site-site distances less than approximately 60 A or probe concentrations higher than approximately 1 x 10(-2) M, in close agreement with the values obtained for the spin probe free in solution. Complementarily, the yield of coupling reactions in different resins indicated that the greater the inter-site distance or the lower the site concentration, the faster the reaction. The results suggested that the model and the experimental measurements developed for the determination of solvation parameters represent a relevant step forward for the deeper understanding and improvement of polymer-related processes.

Electron trapping of laser-induced carriers in Er-doped SnO2 thin films

In order to investigate optically excited electronic transport in Er-doped SnO2, thin films are excited with the fourth harmonic of an Nd:YAG laser (266nm) at low temperature, yielding conductivity decay when the illumination is removed. Inspection of these electrical characteristics aims knowledge for electroluminescent devices operation. Based on a proposed model where trapping defects present thermally activated cross section, the capture barrier is evaluated as 140, 108, 100 and 148 meV for doped SnO2, thin films with 0.0, 0.05, 0. 10 and 4.0 at% of Er, respectively. The undoped film has vacancy levels as dominating, whereas for doped films. there are two distinct trapping centers: Er3+ substitutional at Sn lattice sites and Er3+ located at grain boundary. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Electron field emission from boron doped microcrystalline diamond

Field emission properties of hot filament chemical vapor deposited boron doped polycrystalline diamond have been studied. Doping level (N-B) of different samples has been varied by the B/C concentration in the gas feed during the growth process and doping saturation has been observed for high B/C ratios. Threshold field (E-th) for electron emission as function of B/C concentration has been measured, and the influences of grain boundaries, doping level and surface morphology on field emission properties have been investigated. Carrier transport through conductive grains and local emission properties of surface sites have been figured out to be two independent limiting effects in respect of field emission. Emitter current densities of 500 nA cm(-2) were obtained using electric fields less than 8 V/mu m. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photodesorption and electron trapping in n-type SnO2 thin films grown by dip-coating technique

Thin films of undoped and Sb-doped (2 atg%) SnO2 have been prepared by sol-gel dip-coating technique on borosilicate glasses. Variation of photoconductivity excitation with wavelength and optical absorption indicate indirect bandgap transition with energy of ≅ 3.5 eV. Conductance as function of temperature indicates two levels of capture with 39 and 81 meV as activation energies, which may be related to an Sb donor and oxygen vacancy respectively. Electron trapping by these levels are practically destroyed by UV photoexcitation (305 nm) and heating in vacuum to 200°C. Gas analysis using a mass spectrometer indicates an oxygen related level, which may not be desorbed in the simpler O2 form.

Eucalyptus ESTs corresponding to the enzyme glutamine synthetase and the protein D1, sites of action of herbicides that cause oxidative stress

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Elucidating the real-time Ag nanoparticle growth on alpha-Ag2WO4 during electron beam irradiation: experimental evidence and theoretical insights

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cr+3 distribution in Al1 and Al2 Sites of alexandrite (BeAl2O4: Cr3+) induced by annealing, investigated by optical spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Electron collisions with the HCOOH...(H2O)n (n=1, 2 and 3) complexes in liquid phase: the influence on the π* shape resonance of formic acid

In this conference we report cross sections for elastic collisions of low-energy electrons with the HCOOH…(H2O)n complexes, with n = 1, 2 and 3. The scattering cross sections were computed with the Schwinger multichannel method [K. Takatsuka and V. McKoy, Phys. Rev. A 24 , 2473 (1981); Phys. Rev. A 30 , 1734 (1984)] with pseudopotentials [M. H. F. Bettega, L. G. Ferreira, and M. A. P. Lima, Phys. Rev. A 47, 1111 (1993)] in the static-exchange and static-exchange plus polarization approximations, for energies from 0.5 eV to 6 eV. We considered some diÆerent hydrogen-bonded structures for the complexes that were generated with classical Monte Carlo simulations [K. Coutinho and S. Canuto, J. Chem. Phys. 113, 9132, (2000)]. The aim of this work is to investigate the effect of the surrounding water molecules on the π* shape resonance of the solute. Previous theoretical and experimental studies carried out in the gas phase reported a π* state for HCOOH at around 1.9 eV. For the n = 1 case and for all complexes, the stabilization of the resonance was observed (it appears at lower energy compared to the value obtained in the gas phase), as reported previously for the CH2O…H2O complexes [T. C. Freitas, M. A. P. Lima, S. Canuto, and M. H. F. Bettega, Phys. Rev. A 80, 062710 (2009)]. This result indicates that the presence of the solvent may affect the processes related to the π* state, such as the molecular dissociation by electron impact. For the n = 2 case we have observed both stabilization and destabilization of the π* resonance, that is associated with the hydrogen bond donor or acceptor role of the water molecules in the complexes. For the n = 3 case, preliminary static-exchange results show the stabilization of the π* state. We propose an explanation of the stabilization/destabilization of the π* state in terms of the polarization of the solute due to the surrounding water molecules and the net charge in the solute.

Influence of alternative electron acceptors on the anaerobic biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons

Polycyclic aromatic hydrocarbons are chemicals produced by both human activities and natural sources and they have been present in the biosphere since millions of years. For this reason microorganisms should have developed, during the world history, the capacity of metabolized them under different electron acceptors and redox conditions. The deep understanding of these natural attenuation processes and of microbial degradation pathways has a main importance in the cleanup of contaminated areas. Anaerobic degradation of aromatic hydrocarbons is often presumed to be slow and of a minor ecological significance compared with the aerobic processes; however anaerobic bioremediation may play a key role in the transformation of organic pollutants when oxygen demand exceeds supply in natural environments. Under such conditions, anoxic and anaerobic degradation mediated by denitrifying or sulphate-reducing bacteria can become a key pathway for the contaminated lands clean up. Actually not much is known about anaerobic bioremediation processes. Anaerobic biodegrading techniques may be really interesting for the future, because they give the possibility of treating contaminated soil directly in their natural status, decreasing the costs concerning the oxygen supply, which usually are the highest ones, and about soil excavations and transports in appropriate sites for a further disposal. The aim of this dissertation work is to characterize the conditions favouring the anaerobic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons. Special focus will be given to the assessment of the various AEA efficiency, the characterization of degradation performance and rates under different redox conditions as well as toxicity monitoring. A comparison with aerobic and anaerobic degradation concerning the same contaminated material is also made to estimate the different biodegradation times.

Point defects in carbon nanostructures studied by in-situ electron microscopy

In the present work, the formation and migration of point defects induced by electron irradiation in carbon nanostructures, including carbon onions, nanotubes and graphene layers, were investigated by in-situ TEM. The mobility of carbon atoms normal to the layers in graphitic nanoparticles, the mobility of carbon interstitials inside SWCNTs, and the migration of foreign atoms in graphene layers or in layers of carbon nanotubes were studied. The diffusion of carbon atoms in carbon onions was investigated by annealing carbon onions and observing the relaxation of the compressed clusters in the temperature range of 1200 – 2000oC. An activation energy of 5.0±0.3 eV was obtained. This rather high activation energy for atom exchange between the layers not only prevents the exchange of carbon atoms between the layers at lower temperature but also explains the high morphological and mechanical stability of graphite nanostructures. The migration of carbon atoms in SWCNTs was investigated quantitatively by cutting SWCNT bundles repeatedly with a focused electron beam at different temperatures. A migration barrier of about 0.25 eV was obtained for the diffusion of carbon atoms inside SWCNTs. This is an experimental confirmation of the high mobility of interstitial atoms inside carbon nanotubes, which corroborates previously developed theoretical models of interstitial diffusivity. Individual Au and Pt atoms in one- or two-layered graphene planes and MWCNTs were monitored in real time at high temperatures by high-resolution TEM. The direct observation of the behavior of Au and Pt atoms in graphenic structures in a temperature range of 600 – 700°C allows us to determine the sites occupied by the metal atoms in the graphene layer and the diffusivities of the metal atoms. It was found that metal atoms were located in single or multiple carbon vacancies, not in off-plane positions, and diffused by site exchange with carbon atoms. Metal atoms showed a tendency to form clusters those were stable for a few seconds. An activation energy of around 2.5 eV was obtained for the in-plane migration of both Au and Pt atoms in graphene (two-dimensional diffusion). The rather high activation energy indicates covalent bonding between metal and carbon atoms. Metal atoms were also observed to diffuse along the open edge of graphene layers (one-dimensional diffusion) with a slightly lower activation energy of about 2.3 eV. It is also found that the diffusion of metal atoms in curved graphenic layers of MWCNTs is slightly faster than in planar graphene.

Extended donor and acceptor molecules for organic electronics

Die Untersuchung von halbleitenden Materialien auf der Basis von organischen Molekülen stellt ein Gebiet der angewandten Forschung an der Schwelle zur industriellen Nutzung dar. Geringes Gewicht und hohe mechanische Flexibilität ermöglichen völlig neue Produkte, die mit anorganischen Halbleitern nicht zu realisieren sind. Die Herstellung von Bauteilen wie Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden aus organischen Materialien ist ein komplexes Gebiet, das einer Vielzahl von unterschiedlichen Optimierungen bedarf, um eine konkurrenzfähige Leistung zu erreichen. Die synthetische organische Chemie bietet vielfältige Möglichkeiten, mit maßgeschneiderten Lösungen zum Optimierungsprozess beizutragen. Zum einen können neue aktive Materialien hergestellt werden mit besserer Leistung und leichterer Verarbeitbarkeit. Zum anderen sind Substanzen zugänglich, die z.B. bei der Ladungsträgerinjektion hilfreich sein können.rnIn dieser Arbeit wurde an beiden dieser Fronten gearbeitet. Dabei lag die Entwicklungsstrategie darin, ausgedehnte π-konjugierte Moleküle herzustellen, die entweder besonders elektronenarme Akzeptoren oder elektronenreiche Donoren darstellen. Die genaue Kontrolle der elektronischen Niveaus stellt einen wichtigen Bestandteil dar, um niedrige elektrische Kontaktbarrieren zu Metallen zu erreichen und ausreichend stabile Materialien zu erreichen.rnDer erste Fokus der Arbeiten lag in der Funktionalisierung von Coronen. Dieser PAH stellt einen guten Kompromiss bezüglich seiner Größe dar: Er ist groß genug, um Diffusion in andere Schichten von Bauteilen zu vermeiden, aber nicht zu groß, um Verarbeitung durch Vakuumsublimation zu ermöglichen. Bislang sind praktisch keine Coronen-Derivate in der Literatur beschrieben, weshalb eine neue Synthese entwickelt werden musste, die die Einführung starker Donor- und Akzeptorfunktionalitäten erlaubt. Die photochemische Cyclodehydrierung von substituierten [2.2.2]paracyclophan-trienen stellte sich als hervorragende Möglichkeit heraus, dies zu bewerkstelligen. Es wurde eine Reihe von methoxy-substitutierten Coronenen mit unterschiedlicher Symmetrie hergestellt. Mittels optischer Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass Methoxygruppen wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Coronen haben. Unter Spaltung der Methylether und anschließender Oxidation allerdings sind Coronenketone zugänglich, welche bis zu drei α-Diketongruppen besitzen. Diese Moleküle sind enorm starke Akzeptoren, was durch Cyclovoltammetrie und Vergleich zu anderen Akzeptoren eindrucksvoll gezeigt werden konnte. Die Sublimation dieses Akzeptors auf die Oberfläche von Metallen zeigt einen dramatischen Einfluss auf die Austrittsarbeit dieses Metalls, was zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zu organischen Halbleitern von außerordentlichem Nutzen ist. rnDen zweiten Teil der Arbeit bilden Benzodithiophen enthaltende Polymere, die für den Einsatz als aktive Komponente in elektronischen Bauteilen entwickelt wurden. Nach systematischer Strukturoptimierung wurde ein Polymer enthalten, welches in einem Feldeffekt-Transistor auf Standard-Silizium-Substraten Ladungsträger-Mobilitäten über 0,1 cm2/Vs erreicht mit großer Reproduzierbarkeit und ausgezeichneter Transistor-Charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die durch die Monomergeometrie erzeugte Kurvung des Polymers zu einem optimalen Kompromiss aus Löslichkeit und effektiver Packung darstellt. Auf für industrielle Anwendungen besonders interessanten polymer-basierten Substraten wurde eine noch erheblich bessere Leistung gezeigt. Auf einem PET-Substrat wurden Feldeffekt-Mobilitäten von 0,5 cm2/Vs gemessen mit überzeugenden Reproduzierbarkeit und Stabilität.rnDamit konnte in der Arbeit ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung von Materialien für den Einsatz in elektronischen Bauteilen geleistet werden. Die Substanzen versprechen noch erhebliches Potenzial nach intensiver Optimierung und wurden deshalb zum Patent angemeldet.rn

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.