New materials for electrochemiluminescence

The study of electrochemiluminescence (ECL) involves photophysical and electrochemical aspects. Excited states are populated by an electrical stimulus. The most important applications are in the diagnostic field where a number of different biologically-relevant molecules (e.g. proteins and nucleic acids) can be recognized and quantified with a sensitivity and specificity previously not reachable. As a matter of fact the electrochemistry, differently to the classic techniques as fluorescence and chemiluminescence, allows to control the excited state generation spatially and temporally. The two research visits into A. J. Bard electrochemistry laboratories were priceless. Dr. Bard has been one of ECL pioneers, the first to introduce the technique and the one who discovered in 1972 the surprising emission of Ru(bpy)3 2+. I consider necessary to thank by now my supervisors Massimo and Francesco for their help and for giving me the great opportunity to know this unique science man that made me feel enthusiastic. I will never be grateful enough… Considering that the experimental techniques of ECL did not changed significantly in these last years the most convenient research direction has been the developing of materials with new or improved properties. In Chapter I the basics concepts and mechanisms of ECL are introduced so that the successive experiments can be easily understood. In the final paragraph the scopes of the thesis are briefly described. In Chapter II by starting from ECL experimental apparatus of Dr. Bard’s laboratories the design, assembly and preliminary tests of the new Bologna instrument are carefully described. The instrument assembly required to work hard but resulted in the introduction of the new technique in our labs by allowing the continuation of the ECL studies began in Texas. In Chapter III are described the results of electrochemical and ECL studies performed on new synthesized Ru(II) complexes containing tetrazolate based ligands. ECL emission has been investigated in solution and in solid thin films. The effect of the chemical protonation of the tetrazolate ring on ECL emission has been also investigated evidencing the possibility of a catalytic effect (generation of molecular hydrogen) of one of the complexes in organic media. Finally, after a series of preliminary studies on ECL emission in acqueous buffers, the direct interaction with calf thymus DNA of some complexes has been tested by ECL and photoluminescence (PL) titration. In Chapter IV different Ir(III) complexes have been characterized electrochemically and photophysically (ECL and PL). Some complexes were already well-known in literature for their high quantum efficiency whereas the remaining were new synthesized compounds containing tetrazolate based ligands analogous to those investigated in Chapt. III. During the tests on a halogenated complex was unexpectedly evidenced the possibility to follow the kinetics of an electro-induced chemical reaction by using ECL signal. In the last chapter (V) the possibility to use mono-use silicon chips electrodes as ECL analitycal devices is under investigation. The chapter begins by describing the chip structure and materials then a signal reproducibility study and geometry optimization is carried on by using two different complexes. In the following paragraphs is reported in detail the synthesis of an ECL label based on Ru(bpy)3 2+ and the chip functionalization by using a lipoic acid SAM and the same label. After some preliminary characterizations (mass spectroscopy TOF) has been demonstrated that by mean of a simple and fast ECL measurement it’s possible to confirm the presence of the coupling product SAM-label into the chip with a very high sensitivity. No signal was detected from the same system by using photoluminescence.

Neue konjugierte Polyarylene mit Leiterstruktur

Zusammenfassung: Im Rahmen der Arbeit wird über die Darstellung neuartiger, konjugierter Polyarylene mit Leiterstruktur berichtet. Über eine zweistufige Synthese wurde ein ethylenüberbrücktes Leiterpolymer (LPDP) hergestellt. Dabei wurde das Vorläuferpolymer mit Samarium(II)jodid unter milden Bedingungen zum Leiterpolymeren cyclisiert. Erste Untersuchungen zeigen, daß LPDP im Gegensatz zum 'gewinkelten Polyacen' eine sehr vielversprechende Elektrolumineszenz-Eigenschaft besitzt. Durch den Einbau chiraler Alkylsubstituenten in entsprechenden meta-Phenylen-Analoga der Leiterpolymere vom Polyacen-Typ wurde versucht, eine Vorzugsdrehrichtung der helikalen Leiterpolymere im Laufe der polymeranalogen Cyclisierung zu induzieren. Es zeigt sich, daß für eines der chiralen Derivate ein CD-Effekt im Bereich der Absorption der helikalen Polyacen-Hauptkette auch auf molekularer Ebene auftritt. Weiterhin wird die erfolgreiche Synthese eines neuen, heteroaromatischen Leiterpolymeren, LPPPT, beschrieben, welches alternierend aus 1,4-Phenylen- und 2,5-Thienylen-Einheiten aufgebaut ist. Eine LED in der Konfiguration ITO/LPPPT/Al zeigt eine orange Lichtemission. Die Quanteneffizienz der freien Ladungsträgerbildung für LPPPT wurde in Experimenten zur Ladungstraegergeneration im elektrischen Feld (Coronaentladung) zu ca. 1 % bei 10E7 V/m bestimmt. Letztlich wurde die Synthese eines neuen, heteroaromatischen Leiterpolymeren mit Carbazol-Einheiten, LPPPC, in der Hauptkette beschrieben, das alternierend aus 1,4-Phenylen- und Carbazol-3,6-diyl-Einheiten aufgebaut ist. Untersuchungen am LPPPC ergaben, daß das Polymer gute Lochleitereigenschaften besitzt, daneben weisen dünne Filme von LPPPC auch photovoltaische Eigenschaften auf.

Organic heterostructure approach for multifunctional light-emitting field-effect transistors

The possibility of combining different functionalities in a single device is of great relevance for further development of organic electronics in integrated components and circuitry. Organic light-emitting transistors (OLETs) have been demonstrated to be able to combine in a single device the electrical switching functionality of a field-effect transistor and the capability of light generation. A novel strategy in OLET realization is the tri-layer vertical hetero-junction. This configuration is similar to the bi-layer except for the presence of a new middle layer between the two transport layers. This “recombination” layer presents high emission quantum efficiency and OLED-like (Organic Light-Emitting Diode) vertical bulk mobility value. The key idea of the vertical tri-layer hetero-junction approach in realizing OLETs is that each layer has to be optimized according to its specific function (charge transport, energy transfer, radiative exciton recombination). Clearly, matching the overall device characteristics with the functional properties of the single materials composing the active region of the OFET, is a great challenge that requires a deep investigation of the morphological, optical and electrical features of the system. As in the case of the bi-layer based OLETs, it is clear that the interfaces between the dielectric and the bottom transport layer and between the recombination and the top transport layer are crucial for guaranteeing good ambipolar field-effect electrical characteristics. Moreover interfaces between the bottom transport and the recombination layer and between the recombination and the top transport layer should provide the favourable conditions for the charge percolation to happen in the recombination layer and form excitons. Organic light emitting transistor based on the tri-layer approach with external quantum efficiency out-performing the OLED state of the art has been recently demonstrated [Capelli et al., Nat. Mater. 9 (2010) 496-503] widening the scientific and technological interest in this field of research.

Polyphenylene dendrimers

The main goals of this work were the design, synthesis, and characterization of new functional polyphenylene dendrimers. Polyphenylene dendrimers are highly branched, monodisperse macromolecules consisting exclusively of benzene rings. They can be obtained in high yield by a repetitive Diels-Alder cycloaddition - deprotection protocol. Their shape-persistent dendritic scaffold allows to obtain nanoparticles with functional groups in defined relative orientation. In the first chapter polyphenylene dendrimers with a pyrene core are presented. The focus of the investigations was upon the shielding efficiency of dendritic shells of different generations upon the pyrene-functionality in the core. The herein presented materials combine high quantum efficiency, good solubility and improved film forming properties making them possible candidates for several applications in electronic devices. The defined functionalization of polyphenylene dendrimers often requires a great synthetic effort, since for every desired function the appropriate building block has to be synthesized. To overcome these disadvantages, a new functionalization concept based upon benzophenone precursors has been developed. This new concept has successfully been applied for the functionalization of the dendritic core, the dendrimer shell, and the dendrimer surface. To investigate the accessibility and reactivity of the embedded groups, many functions of different size and nature were introduced. Moreover, suitable precursors for the synthesis of dendrimer entrapped species, trityl cations, trityl radicals, and ketyl radical anions, were obtained. The combination of the synthetic protocols of core- and surface-functionalization resulted in a new type of functional molecules, highly interesting from the point of electron transfer processes. A polyphenylene dendron was used to arrange a triphenylamine donor and a perylene acceptor moiety in a defined spatial distance and orientation. The in-depth photophysical investigation of a first model compound is reported. The herein presented functionalized dendrimers are highly interesting as well from the point of view of fundamental research (looking into the optic and electronic properties of such unique shape persistent structures) as from the point of view of their potential application as tailor-made nanomaterials in the field of optoelectronics.

Poly(p-phenylen)-Derivate für die Anwendung in Leuchtdioden

Zusammenfassung Das 2,7-Polyfluoren (2,7-PF) wurde in neuer Zeit sowohl wegen seiner einfachen Synthese und hohen Fluoreszenzquantenausbeuten als auch seiner chemischen und thermischen Stabilität intensiv untersucht. Leider liegt das Emissionsmaximum von 2,7-PF in einem Bereich, bei dem das menschliche Auge nicht genügend Sensitivität aufweist. Das Leiter-Poly(p-phenylen) (LPPP) besitzt die optimale Wellenlänge. Jedoch zeigt das LPPP wegen seines steifen Rückgrates große Aggregationstendenz im Film auf, wodurch die Emissionsfarbe bathochrom verschoben und die Photolumineszenzquantenausbeute verringert wird. Es ist deshalb wünschenswert, Polymere zu synthetisieren, die eine längerwellige Emissionsbande als 2,7-PF und eine geringere Aggregationstendenz als LPPP 20 besitzen. Eine Reihe neuer blau emittierender Polymere auf der Basis von Indenofluoren- und Fluoren-Bausteinen mit geringer Aggregationstendenz, hoher thermischer und chemischer Stabilität sowie guter Verarbeitbarkeit wurden dargestellt. Die Polymere weisen eine hohe thermische Stabilität auf (Zersetzung ca.: 310 °C) und sind sehr gut löslich in organischen Lösungsmitteln. Das Absorptionsmaximum des 2,8-Polyindenofluoren (2,8-PIF) in Chloroform liegt bei 416 nm, das Emissionsmaximun bei 432 nm. Die Phasenumwandlungstemperatur beim PIF liegt ca. bei 260 °C. Leider zeigen 2,8-PIF Aggregationstendenzen im Film. Um die Aggregation komplett zu unterbinden, wurden Polyphenylene als Seitenketten an das Dibromfluoren angebracht. Anschließend wurde nach Yamamoto polymerisiert. Das dendritnische PF (DPF) weist die gleiche thermische Stabilität wie die PIFs 28 auf (Zersetzung: 340 °C). Das Polymer 62a ist sehr gut löslich in Toluol, Xylol und chlorierten organischen Lösungsmitteln. Die Absorptions- und Emissionsmaxima des DPFs in Lösung (Chloroform) weisen keine Veränderung gegenüber PF auf. Die Emissionsmaxima des DPFs im Film und nach dem Tempern (100 °C, 24 h) zeigen lediglich eine Verschiebung um 8 nm. Eine Aggregatenbande entsteht jedoch nicht. Dies unterstreicht die abschirmende Eigenschaft der dendritischen Substituenten. Durch Copolymerisation lassen sich die Eigenschaften von Polymeren variieren. Um die Aggregationstendenz der PIF-Derivate zu verringern, wurden die entsprechenden Monomere in verschiedenen Verhältnissen copolymerisiert. Durch die Copolymerisation wurde die PL-Quantenausbeute auf 50 % erhöht. Weiterhin wurden Copolymere von Indenofluoren und 9,10-Dibromanthracen, und erschiedenen Perylenen hergestellt, um zu blau, rot und grün emittierenden Polymeren zu gelangen. Alle blau emittierenden Polymeren wurden in Leuchtdioden untersucht. Das DPF und das Copolymer aus Indenofluoren und Anthracene wiesen die besten Eigenschaften hierfür auf.

Untersuchungen zur Lebensdauer von NEA-Photokathoden bei der Extraktion sehr hoher mittlerer Ströme

Die Produktion eines spinpolarisierten Strahls mit hohem mittleren Strom ist sowohl für den Betrieb von existierenden polarisierten Quellen als auch in noch stärkerem Maße für geplante zukünftige Projekte wichtig. Die Betriebszeit solcher Quellen wird durch die Abnahme der Quantenausbeute der Photokathode mit der Zeit begrenzt. Die Problematik der Abnahme der Quantenausbeute konnte durch die Reaktion der Kathodenoberfläche mit sauerstoffhaltigen Molekülen sowie durch Ionenbombardement geklärt werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden, teilweise zum ersten Mal, Mechanismen untersucht, die zur Entstehung der chemisch aktiven Moleküle und der Ionen beitragen und weitere Effekte, die die Betriebszeit der polarisierten Quellen reduzieren. Die Experimente wurden an einer genauen Kopie der an MAMI vorhandenen polarisierten Quelle durchgeführt. Es wurde demonstriert, dass Erwärmung der Photokathode, Ioneneinfang und Strahlverlust aufgrund der Raumladungskräfte die Kathodenlebensdauer begrenzen können. Der erste Effekt ist Erwärmung der Photokathode. Die Laserleistung wird fast vollständig in Wärmeleistung umgesetzt, was zur Absenkung der Verfügbarkeit der polarisierten Quellen führen kann, und zwar unabhängig davon, ob der Photostrom produziert wird oder nicht. Der zweite Effekt ist Ionenbombardement mit den sowohl in der Beschleunigungsstrecke als auch in der Strahlführung entstehenden Ionen. Es wurde demonstriert, dass der in der Strahlführung entstehende Ionenstrom sogar größer ist als der in der Kanone. Unter bestimmten Bedingungen können die gebildeten Ionen durch das Potenzial des Elektronenstrahls eingefangen werden und die Kanone erreichen und damit zusätzlich zur Zerstörung der negativen Elektronenaffinität beitragen. Der dritte Effekt ist Strahlverlust. Es wurde demonstriert, dass die relativen Strahlverluste kleiner als 1*10-6 sein sollten, um eine Lebensdauer von mehr als 1000 Stunden beim Strom von 100 A zu erreichen, was für die vorhandene Apparatur möglich ist. Zur Erzeugung extrem hoher Ströme wurde zum ersten Mal im Bereich der spinpolarisierten Quellen das Prinzip der „Energierückgewinnung“ eingesetzt. Experimente bei einer mittleren Stromstärke von 11.4 mA und einer Spitzenstromstärke von 57 mA bei 1% Tastverhältnis wurden bereits durchgeführt.

Photokathoden mit internem DBR-Reflektor als Quellen hochintensiver spinpolarisierter Elektronenstrahlen

Die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Intensität (I$geq$2,mA) und hoher Spinpolarisation (P$geq$85%) ist für die Experimente an den geplanten glqq Linac Ringgrqq Electron--Ion--Collidern (z.B. eRHIC am Brookhaven National Laboratory) unabdingbar, stellt aber zugleich eine enorme Herausforderung dar. Die Photoemission aus ce{GaAs}--basierten Halbleitern wie z.B. den in dieser Arbeit untersuchten GaAlAs/InGaAlAs Quanten--Übergittern zeichnet sich zwar durch eine hohe Brillanz aus, die geringe Quantenausbeute von nur ca. 1% im Bereich maximaler Polarisation erfordert jedoch hohe Laserintensitäten von mehreren Watt pro $text{cm}^{2}$, was erhebliche thermische Probleme verursacht. rnrnIn dieser Arbeit konnte zunächst gezeigt werden, dass die Lebensdauer einer Photokathode mit steigender Laserleistung bzw. Temperatur exponentiell abnimmt. Durch Einbringen eines DBR--Spiegels zwischen die aktive Zone der Photokathode und ihr Substrat wird ein Großteil des ungenutzten Laserlichts wieder aus dem Kristall herausreflektiert und trägt somit nicht zur Erwärmung bei. Gleichzeitig bildet der Spiegel zusammen mit der Grenzfläche zum Vakuum eine Resonator--Struktur aus, die die aktive Zone umschließt. Dadurch kommt es für bestimmte Wellenlängen zu konstruktiver Interferenz und die Absorption in der aktiven Zone erhöht sich. Beide Effekte konnten durch vergleichenden Messungen an Kathoden mit und ohne DBR--Spiegel nachgewiesen werden. Dabei ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage eines Modells, das auf der dielektrischen Funktion der einzelnen Halbleiterstrukturen beruht. Von besonderer praktischer Bedeutung ist, dass die DBR--Kathode für einen gegebenen Photoemissions-strom eine um einen Faktor $geq$,3{,}5 kleinere Erwärmung aufweist. Dies gilt über den gesamten Wellenlängenbereich in dem die Kathode eine hohe Strahlpolarisation (P$>$80%) produzieren kann, auch im Bereich der Resonanz.rnAus zeitaufgelösten Messungen der Ladungsverteilung und Polarisation lassen sich sowohl Rückschlüsse über die Transportmechanismen im Inneren einer Kathode als auch über die Beschaffenheit ihrer Oberfläche ziehen. Im Rahmen dieser Dissertation konnte die Messgeschwindigkeit der verwendeten Apparatur durch den Einbau eines schnelleren Detektors und durch eine Automatisierung der Messprozedur entscheidend vergrößert und die resultierende Zeitauflösung mit jetzt 1{,}2 Pikosekunden annähernd verdoppelt werden.rnrnDie mit diesen Verbesserungen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich der Transport der Elektronen in Superlattice--Strukturen stark vom Transport in den bisher untersuchten Bulk--Kristallen unterscheidet. Der Charakter der Bewegung folgt nicht dem Diffusionsmodell, sondern gibt Hinweise auf lokalisierte Zustände, die nahe der Leitungsbandunterkante liegen und Elektronen für kurze Zeit einfangen können. Dadurch hat die Impulsantwort einer Kathode neben einem schnellen Abfall des Signals auch eine größere Zeitkonstante, die selbst nach 30,ps noch ein Signal in der Größenordnung von ca. 5textperthousand der Maximalintensität erzeugt.

Substituierte Perylendiimide als Elektronen-Akzeptoren in organischen Solarzellen

In dieser Arbeit wird mithilfe verschiedener spektroskopischer Experimente, morphologischer Untersuchungen und elektrischer Charakterisierung die Eignung von Perylendiimiden als Akzeptoren in organischen Solarzellen untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es die photophysikalischen Eigenschaften von Perylendiimid-Derivaten zu verstehen und durch geeignete Substitution zu verbessern. Das Verständnis soll helfen, neue Akzeptormaterialien für organische Solarzellen mit Hilfe eines zielgerichteten Designs zu entwickeln. Um Struktur-Morphologie-Eigenschafts-Beziehungen herzustellen, wurden zunächst kovalent verbundene Dyaden untersucht, die es ermöglichen, die photophysikalischen Prozesse bei gegebener Donator-Akzeptor Ordnung mit der Nanomorphologie zu korrelieren. Anschließend wurden die photophysikalischen Eigenschaften neuer ortho-substituierter Perylendiimid-Derivate und die Auswirkungen dieser Substitution im Festkörper charakterisiert. Diese neuartigen Perylendiimid-Derivate zeigten in Kombination mit einem Donatorpolymer in organischen Solarzellen eine Verdopplung der Effizienz gegenüber bereits bekannten Perylendiimiden. Die verbleibenden Verlustkanäle konnten weiterhin durch Untersuchung der in der Solarzelle stattfindenden Prozesse einzeln nachgewiesen werden, und es wurde ein indirekter Beweis erbracht, dass die Erzeugung freier Ladungsträger ein effizienzlimitierender Prozess in Perylendiimid-basierten Solarzellen ist.

Noncoherent upconversion in multimolecular organic systems

The dissertation is devoted to the investigation of the process of triplet-triplet annihilation assisted upconversion (TTA – UC). The current state of the art of the used nowadays emitters and sensitizers was overviewed. The new emitters, synthesized mainly on the base of perylene, were created and analyzed for the applicability for TTA – UC in the combination with the sensitizers from tetrabenzo- and tetranaphtoporphyrin families. A strong influence of the excitation beam parameters on UC efficiency was shown. The new strategy of an effective UC emitter’s creation by comprising the functions of two chromophors in a dyad, where the function of the triplet-triplet transfer (TTT) and the triplet-triplet annihilation (TTA) are attributed to different parts of the molecule, was represented. The successful transfer of an UC medium into the water environment by the encapsulation of hydrophobic UC dyes into the micelles, formed by the PTS surfactant, was done. Resulting quantum efficiency is comparable with that in an organic solvent. An extremely strong dependence of the efficiency of the TTA – UC process on temperature in such micellar structures was obtained

Performance evaluation of detector for digital radiography

Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione fisica del flat panel PaxScan4030CB Varian, rivelatore di raggi X impiegato in un ampio spettro di applicazioni cliniche, dalla radiografia generale alla radiologia interventistica. Nell’ambito clinico, al fine di una diagnosi accurata, è necessario avere una buona qualità dell’immagine radiologica mantenendo il più basso livello di dose rilasciata al paziente. Elemento fondamentale per ottenere questo risultato è la scelta del rivelatore di radiazione X, che deve garantire prestazioni fisiche (contrasto, risoluzione spaziale e rumore) adeguati alla specifica procedura. Le metriche oggettive che misurano queste caratteristiche sono SNR (Signal-to-Noise Ratio), MTF (Modulation Transfer Function) ed NPS (Noise Power Spectrum), che insieme contribuiscono alla misura della DQE (Detective Quantum Efficiency), il parametro più completo e adatto a stabilire le performance di un sistema di imaging. L’oggettività di queste misure consente anche di mettere a confronto tra loro diversi sistemi di rivelazione. La misura di questi parametri deve essere effettuata seguendo precisi protocolli di fisica medica, che sono stati applicati al rivelatore PaxScan4030CB presente nel laboratorio del Centro di Coordinamento di Fisica Medica, Policlinico S.Orsola. I risultati ottenuti, conformi a quelli dichiarati dal costruttore, sono stati confrontati con successo con alcuni lavori presenti in letteratura e costituiscono la base necessaria per la verifica di procedure di ottimizzazione dell’immagine radiologica attraverso interventi sul processo di emissione dei raggi X e sul trattamento informatico dell’immagine (Digital Subtraction Angiography).

Characterizing a single photon detector

I will present my work about constructing and characterizing a single photon detector. Using the 1550nm laser and second harmonic light generation, I am able to count single photons on a Multi‐Pixel Photon Counter (MPPC) silicon APD. My results show that upwards of 22% quantum efficiency is achievable with the MPPC. Future work will include coincidence detection of correlated photon‐pair.

Synthesis and Redox and Photophysical Properties of Benzodifuran-Spiropyran Ensembles

Two benzodifuran (BDF)-coupled spiropyran (SP) systems and their BDF reference compounds were obtained in good yields through HuisgenMeldalSharpless click chemistry and then subjected to investigation of their electrochemical and photophysical properties. In both SP and merocyanine (MC) forms of the coupled molecules, the BDF-based emission is quenched to around 1 of the quantum yield of emission from the BDF reference compounds. Based on electrochemical data, this quenching is attributed to oxidative electron-transfer quenching. Irradiation at 366nm results in ring opening to the MC forms of the BDF-coupled SP compounds and the SP reference compound with a quantum efficiency of about 50. The rate constants for the thermal ring closing are approximately 3.4x103s1. However, in the photostationary states the MC fractions of the coupled molecules are substantially lower than that of the reference SP compound, attributed to the observed acceleration of the ring-closing reaction upon irradiation. As irradiation at 366nm invariably also excites higher-energy transitions of the BDF units in the coupled compounds, the ring-opening reaction is accelerated relative to the SP reference, which results in lower MC fractions in the photostationary state. Reversible photochromism of these BDF-coupled SP compounds renders them promising in the field of molecular switches.

Effect of Nontronite Smectite Clay on the Chemical Evolution of Several Organic Molecules under Simulated Martian Surface Ultraviolet Radiation Conditions

Most of the phyllosilicates detected at the surface of Mars today are probably remnants of ancient environments that sustained long-term bodies of liquid water at the surface or subsurface and were possibly favorable for the emergence of life. Consequently, phyllosilicates have become the main mineral target in the search for organics on Mars. But are phyllosilicates efficient at preserving organic molecules under current environmental conditions at the surface of Mars? We monitored the qualitative and quantitative evolutions of glycine, urea, and adenine in interaction with the Fe3+-smectite clay nontronite, one of the most abundant phyllosilicates present at the surface of Mars, under simulated martian surface ultraviolet light (190-400 nm), mean temperature (218 +/- 2 K), and pressure (6 +/- 1 mbar) in a laboratory simulation setup. We tested organic-rich samples that were representative of the evaporation of a small, warm pond of liquid water containing a high concentration of organics. For each molecule, we observed how the nontronite influences its quantum efficiency of photodecomposition and the nature of its solid evolution products. The results reveal a pronounced photoprotective effect of nontronite on the evolution of glycine and adenine; their efficiencies of photodecomposition were reduced by a factor of 5 when mixed at a concentration of 2.6x10(-2) mol of molecules per gram of nontronite. Moreover, when the amount of nontronite in the sample of glycine was increased by a factor of 2, the gain of photoprotection was multiplied by a factor of 5. This indicates that the photoprotection provided by the nontronite is not a purely mechanical shielding effect but is also due to stabilizing interactions. No new evolution product was firmly identified, but the results obtained with urea suggest a particular reactivity in the presence of nontronite, leading to an increase of its dissociation rate. Key Words: Martian surface-Organic chemistry-Photochemistry-Astrochemistry-Nontronite-Phyllosilicates. Astrobiology 15, 221-237.

Physicochemical sea ice and water characteristics near Point Barrow 2005-2006

Photosynthetic parameters of phytoplankton and sea ice algae from landfast sea ice of the Chukchi Sea off Point Barrow, Alaska, were assessed in spring 2005 and winter through spring 2006 using Pulse Amplitude Modulated (PAM) fluorometry including estimates of maximum quantum efficiency (Fv/Fm), maximum relative electron transport rate (rETRmax), photosynthetic efficiency (alpha), and the photoadaptive index (Ek). The use of centrifuged brine samples allowed to document vertical gradients in ice algal acclimation with 5 cm vertical resolution for the first time. Bottom ice algae (0-5 cm from ice-water interface) expressed low Fv/Fm (0.331-0.426) and low alpha (0.098-0.130 /(µmol photons/m**2/s)) in December. Fv/Fm and alpha increased in March and May (0.468-0.588 and 0.141-0.438 /(µmol photons/m**2/s), respectively) indicating increased photosynthetic activity. In addition, increases in rETRmax (3.3-16.4 a.u.) and Ek (20-88 µmol photons/m**2/s) from December to May illustrates a higher potential for primary productivity as communities become better acclimated to under-ice light conditions. In conclusion, photosynthetic performance by ice algae (as assessed by PAM fluorometry) was tightly linked to sea ice salinity, temperature, and inorganic nutrient concentrations (mainly nitrogen).

Synergistic effects of pCO2 and iron availability on nutrient consumption ratio of the Bering Sea phytoplankton community

Little is known concerning the effect of CO2 on phytoplankton ecophysiological processes under nutrient and trace element-limited conditions, because most CO2 manipulation experiments have been conducted under elements-replete conditions. To investigate the effects of CO2 and iron availability on phytoplankton ecophysiology, we conducted an experiment in September 2009 using a phytoplankton community in the iron limited, high-nutrient, low-chlorophyll (HNLC) region of the Bering Sea basin . Carbonate chemistry was controlled by the bubbling of the several levels of CO2 concentration (180, 380, 600, and 1000 ppm) controlled air, and two iron conditions were established, one with and one without the addition of inorganic iron. We demonstrated that in the iron-limited control conditions, the specific growth rate and the maximum photochemical quantum efficiency (Fv/Fm) of photosystem (PS) II decreased with increasing CO2 levels, suggesting a further decrease in iron bioavailability under the high-CO2 conditions. In addition, biogenic silica to particulate nitrogen and biogenic silica to particulate organic carbon ratios increased from 2.65 to 3.75 and 0.39 to 0.50, respectively, with an increase in the CO2 level in the iron-limited controls. By contrast, the specific growth rate, Fv/Fm values and elemental compositions in the iron-added treatments did not change in response to the CO2 variations, indicating that the addition of iron canceled out the effect of the modulation of iron bioavailability due to the change in carbonate chemistry. Our results suggest that high-CO2 conditions can alter the biogeochemical cycling of nutrients through decreasing iron bioavailability in the iron-limited HNLC regions in the future.