Fluorescence energy transfer dye-labeled primers for DNA sequencing and analysis.

Fluorescent dye-labeled DNA primers have been developed that exploit fluorescence energy transfer (ET) to optimize the absorption and emission properties of the label. These primers carry a fluorescein derivative at the 5' end as a common donor and other fluorescein and rhodamine derivatives attached to a modified thymidine residue within the primer sequence as acceptors. Adjustment of the donor-acceptor spacing through the placement of the modified thymidine in the primer sequence allowed generation of four primers, all having strong absorption at a common excitation wavelength (488 nm) and fluorescence emission maxima of 525, 555, 580, and 605 nm. The ET efficiency of these primers ranges from 65% to 97%, and they exhibit similar electrophoretic mobilities by gel electrophoresis. With argon-ion laser excitation, the fluorescence of the ET primers and of the DNA sequencing fragments generated with ET primers is 2- to 6-fold greater than that of the corresponding primers or fragments labeled with single dyes. The higher fluorescence intensity of the ET primers allows DNA sequencing with one-fourth of the DNA template typically required when using T7 DNA polymerase. With single-stranded M13mp18 DNA as the template, a typical sequencing reaction with ET primers on a commercial sequencer provided DNA sequences with 99.8% accuracy in the first 500 bases. ET primers should be generally useful in the development of other multiplex DNA sequencing and analysis methods.

Complexation in composite solutions of melanin with 2,4,7-trinitrofluorenone

A feasibility of formation of donor-acceptor charge-transfer (CT) complexes between melanin and 2,4,7-trinitrofluorenone (TNF) being good electron acceptor has been studied in solutions by means of the absorption and photoluminescence (PL) spectra. The model of electronic transitions in a melanin-TNF composite solution has been proposed. © 2014 Copyright Taylor & Francis Group, LLC.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Raman Spectroscopy and DFT calculations for the Electronic Structure Characterization of Conjugated Polymers

In the last three decades, there has been a broad academic and industrial interest in conjugated polymers as semiconducting materials for organic electronics. Their applications in polymer light-emitting diodes (PLEDs), polymer solar cells (PSCs), and organic field-effect transistors (OFETs) offer opportunities for the resolution of energy issues as well as the development of display and information technologies1. Conjugated polymers provide several advantages including low cost, light weight, good flexibility, as well as solubility which make them readily processed and easily printed, removing the conventional photolithography for patterning2. A large library of polymer semiconductors have been synthesized and investigated with different building blocks, such as acenes or thiophene and derivatives, which have been employed to design new materials according to individual demands for specific applications. To design ideal conjugated polymers for specific applications, some general principles should be taken into account, including (i) side chains (ii) molecular weights, (iii) band gap and HOMO and LUMO energy levels, and (iv) suited morphology.3-6 The aim of this study is to elucidate the impact that substitution exerts on the molecular and electronic structure of π-conjugated polymers with outstanding performances in organic electronic devices. Different configurations of the π-conjugated backbones are analyzed: (i) donor-acceptor configuration, (ii) 1D lineal or 2D branched conjugated backbones, and (iii) encapsulated polymers (see Figure 1). Our combined vibrational spectroscopy and DFT study shows that small changes in the substitution pattern and in the molecular configuration have a strong impact on the electronic characteristics of these polymers. We hope this study can advance useful structure-property relationships of conjugated polymers and guide the design of new materials for organic electronic applications.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Probing the interaction between two single molecules: fluorescence resonance energy transfer between a single donor and a single acceptor.

We extend the sensitivity of fluorescence resonance energy transfer (FRET) to the single molecule level by measuring energy transfer between a single donor fluorophore and a single acceptor fluorophore. Near-field scanning optical microscopy (NSOM) is used to obtain simultaneous dual color images and emission spectra from donor and acceptor fluorophores linked by a short DNA molecule. Photodestruction dynamics of the donor or acceptor are used to determine the presence and efficiency of energy transfer. The classical equations used to measure energy transfer on ensembles of fluorophores are modified for single-molecule measurements. In contrast to ensemble measurements, dynamic events on a molecular scale are observable in single pair FRET measurements because they are not canceled out by random averaging. Monitoring conformational changes, such as rotations and distance changes on a nanometer scale, within single biological macromolecules, may be possible with single pair FRET.

Selectivity in the Interaction of Electron Donor and Acceptor Molecules with Graphene and Single-Walled Carbon Nanotubes

Interaction of electron donor and acceptor molecules with graphene samples prepared by different methods as well as with single-walled carbon nanotubes (SWNTs) has been investigated by isothermal titration calorimetry (ITC). The ITC interaction energies of the graphene samples and SWNTs with electron acceptor molecules are higher than those with electron donor molecules. Thus, tetracyanoethylene (TCNE) shows the highest interaction energy with both graphene and SWNTs. The interaction energy with acceptor molecules varies with the electron affinity as well as with the charge-transfer transition energy for different aromatics. Metallic SWNTs interact reversibly with electron acceptor molecules, resulting in the opening of a gap.

Folding of a Donor-Containing Ionene by Intercalation with an Acceptor

Cationic ionenes that bear electron-rich 1,5-dialkoxynaphthalene (DAN) units within the alkylene segment were allowed to interact with different types of electron-deficient, acceptor-containing molecules in an effort to realize intercalation-induced folding of the ionenes; the collapse of the chains was expected to occur in such a way that the donor and acceptor units become arranged in an alternating fashion. Several acceptor-bearing molecules were prepared by the derivatization of pyromellitic dianhydride and naphthalene tetracarboxylic dianhydride with two different oligoethylene glycol monomethyl ether monoamines. This yielded acceptor molecules with different water solubility and allowed the examination of solvophobic effects in the folding process. UV/Vis spectroscopic studies were carried out by using a 1:1 mixture of the DAN-ionenes and different acceptor molecules in water/DMSO solvent mixtures. The intensity of the charge-transfer (CT) band was seen to increase with the water content in the solvent mixture, thereby suggesting that the intercalation is indeed aided by solvophobic effects. The naphthalene diimide (NDI) bearing acceptor molecules consistently formed significantly stronger CT complexes when compared to the pyromellitic diimide (PDI) bearing acceptor molecules, which is a reflection of the stronger pi-stacking tendency of the former. AFM studies of drop-cast films of different ionene-acceptor combinations revealed that compact folded structures are formed most effectively under conditions in which the strongest CT complex is formed.

A Raman study of the interaction of electron-donor and -acceptor molecules with chemically doped graphene

Effect of interaction of tetracyanoethylene (TCNE) and tetrathia fulvalene (TTF) with boron- and nitrogen-doped graphene has been investigated by Raman spectroscopy. The G- and 2D bands of boron- and nitrogen-doped graphenes in the Raman spectra show significantly different changes on interaction with electron-donor and -acceptor molecules. Thus, tetracyanoethylene (TCNE) and tetrathiafulvalene (TTF) have different effects on the Raman spectra of boron- and nitrogen-doped graphenes. The changes in the Raman spectra brought about by electron-donor and -acceptor molecules can be understood in general terms on the basis of molecular charge transfer. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Interaction of CdSe and ZnO nanocrystals with electron-donor and -acceptor molecules

Interaction of CdSe and ZnO nanocrystals with electron-donating tetrathiafulvalene (TTF) and electron-withdrawing tetracyanoethylene (TCNE) has been investigated. Isothermal calorimetry shows CdSe nanocrystals interact more strongly with TCNE than TTF. Interaction of larger CdSe nanocrystals with TCNE causes a red-shift in the band-edge emission because of agglomeration, while the smaller CdSe nanocrystals, exhibiting stronger interaction with TCNE modify the optical gap of the nanocrystal. Luminescence of CdSe gets quenched sharply after addition of both TTF and TCNE. ZnO nanocrystals also exhibit luminescence quenching to lesser extent. Defect-emission of ZnO nanocrystals gets red or blue-shifted after interaction with TTF or TCNE respectively. (C) 2012 Elsevier B. V. All rights reserved.

Organic light emitting diodes with an organic acceptor/donor interface involved in hole injection

Organic light emitting diodes with an interface of organic acceptor 3-, 4-, 9-, 10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) and donor copper phthalocyanine (CuPc) involved in hole injection are fabricated. As compared to the conventional device using a 5 nm CuPc hole injection layer, the device using an interface of 10 nm PTCDA and 5 rim CuPc layers shows much lower operating voltage with an increase of about 46% in the maximum power efficiency. The enhanced device performance is attributed to the efficient hole generation at the PTCDA/CuPc interface. This study provides a new way of designing hole injection.

Development of Photorefractive Polymers: Synthesis and Characterization of Polymers with Donor-Pi-Acceptor Groups

Department of Polymer Science and Rubber Technology, Cochin University of Science and Technology

Dimer formation by symbiotic donor–acceptor interaction between two molecules of a specially designed dioxomolybdenum(VI) complex containing both donor and acceptor centers – A structural, spectroscopic and DFT study

This work presents a model study for the formation of a dimeric dioxomolybdenum(VI) complex [MoO2L]2, generated by simultaneous satisfaction of acceptor and donor character existing in the corresponding monomeric Mo(VI) complex MoO2L. This mononuclear complex is specially designed to contain a coordinatively unsaturated Mo(VI) acceptor centre and a free donor group, (e.g. –NH2 group) strategically placed in the ligand skeleton [H2L = 2-hydroxyacetophenonehydrazone of 2-aminobenzoylhydrazine]. Apart from the dimer [MoO2L]2, complexes of the type MoO2L·B (where B = CH3OH, γ-picoline and imidazole) are also reported. All the complexes are characterized by elemental analysis, spectroscopic (UV–Vis, IR, 1H NMR) techniques and cyclic voltammetry. Single crystal X-ray structures of [MoO2L]2 (1), MoO2L·CH3OH (2), and MoO2L.(γ-pic) (3) have been determined and discussed. DFT calculation on these complexes corroborates experimental data and provides clue for the facile formation of this type of dimer not reported previously. The process of dimer formation may also be viewed as an interaction between two molecules of a specially designed complex acting as a monodentate ligand. This work is expected to open up a new field of design and synthesis of dimeric complexes through the process of symbiotic donor–acceptor (acid–base) interaction between two molecules of a specially designed monomer.