Synthese von Azobenzolderivaten zur Darstellung photoschaltbarer, selbstorganisierter Monolagen

Im Vordergrund dieser Arbeit stehen die Synthesen des Azobenzol-4-trichlorsilans sowie des Bis(4-azobenzol)disulfids, ausgehend von einfachen und kommerziell erhältlichen Verbindungen. Moleküle, aus denen sich diese Verbindungen synthetisieren lassen, sind die Iodderivate des Azobenzols, welche über die Kondensation von Benzolaminen (Anilinen) und Nitrosobenzolen dargestellt wurden, aber auch über die altbewährte Azokupplung. Insgesamt wurden 19 neue Azobenzolderivate, das neue [(4-Aminophenyl)ethinyl]ferrocen und das neue Bis[4-(4'-bromazobenzol)]disulfid synthetisiert und charakterisiert. Außerdem wurden 13 neue Kristallstrukturen erzeugt. Mit den synthetisierten Molekülen wurden Substrat-Adsorbat-Systeme gebildet. Als Substrate wurden oberflächenoxidiertes Silizium und Gold gewählt. Die Präparation dieser sogennanten selbstorganisierten Monolagen (SAMs) bzw. der kovalent gebundenen Monolagen im Falle der Trichlorsilylderivate (CAMs) wurde eingehend studiert. Das Azobenzol wurde als photoschaltbare Einheit gewählt, da es bereits Kern zahlreicher Untersuchungen war und als solcher als guter und zuverlässiger Baustein für reversible photoschaltbare Systeme etabliert ist. Zur Charakterisierung Schichten und zur Untersuchung ihres photoresponsiven Verhaltens sowie sowie zur Untersuchung der Schichtbildung selbst wurden mehrere physikalische Messmethoden angewandt. Die Schichtbildung wurde mit SHG (optische Frequenzverdopplung) verfolgt, die fertigen Schichten wurden mit XPS (Röntgen-Photonen-Spektroskopie) und NEXAFS (Nahkanten-Röntgen-Absorptions-Feinstruktur) untersucht, um Orientierung und Ordnung der Moleküle in der Schicht zu ermitteln. Das Schaltverhalten wurde mit Ellipsometrie und durch Messungen des Wasserkontaktwinkels beobachtet. Durch Variation der Endgruppe des Azobenzols ist es möglich, die Oberflächeneigenschaften einstellen gezielt zu können, wie Hydrophobie, Hydrophilie, Komplexierungsverhalten oder elektrische Schaltbarkeit. Dies gelingt durch Gruppen wie N,N-Dimethylamino-, Methoxy-, Ethoxy-, Octyloxy-, Dodecyloxy-, Benzyloxy-, Methyl-, Trifluormethyl-, Pyridyl-, Phenylethinyl- und Ferrocenyl-Restgruppen, um nur eine Auswahl zu nennen. Einerseits wurde Silizium als Substrat gewählt, da es wegen seiner Verwendung in der Halbleiterindustrie ein nicht uninteressantes Substrat darstell und die Möglichkeiten der kovalenten Anbindung von Trichlorsilanen aber auch Trialkoxysilanen auch gut untersucht ist. Andererseits wurden auch Untersuchungen mit Gold als Substrat angestellt, bei dem Thiole und Disulfide die bevorzugten Ankergruppen bilden. Während sich auf Gold sogenannte SAMs bilden, verleiht die kovalente Siloxanbindung den CAMs auf Silizium eine besondere Stabilität.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1 ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat und N-heterocyclische Carbene als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen

Aufbauend auf den Arbeiten von Bielawski et al. und Siemeling et al. wurden im Rahmen dieser Arbeit unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat synthetisiert. Ausgehend von der literaturbekannten Verbindung 1,1’-Diaminoferrocen gelang die Einführung der exocyclischen Substituenten an den Stickstoffatomen lediglich durch die Anpassung der Stöchiometrie in den einzelnen Syntheseschritten. Es wurden die folgenden drei NHCs synthetisiert: N-(2-Adamantyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ad/Np), N-Neopentyl-N’-phenyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ph/Np) und N-(9-Anthracenylmethyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Acm/Np). Das Carben Ad/Np konnte dabei erfolgreich isoliert werden, während die anderen zwei Carbene als Liganden in Komplexen des Typs [RhCl(COD)(NHC)] stabilisiert wurden. Von allen drei Carbenen wurden Rhodium-Carben-Komplexe des Typs [RhCl(COD)(NHC)] und cis-[RhCl(CO)2(NHC)] synthetisiert. Anhand der röntgenkristallographischen und NMR-spektroskopischen Untersuchungen dieser Rhodiumkomplexe konnten in allen sechs Komplexen anagostische Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Rhodiumatom und den Wasserstoffatomen der exocyclischen Substituenten, die sich in α-Position zu den Stickstoffatomen befinden, nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden anhand der cis-[RhCl(CO)2(NHC)]-Komplexe die TEP-Werte der Carbene bestimmt. Gemessen in DCM betragen diese 2049 cm-1 (Ad/Np), 2049 cm-1 (Ph/Np) und 2051 cm-1 (Acm/Np). Unabhängig von den unsymmetrisch substituierten NHCs mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung von NHCs als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen überprüft. Hierzu wurden Tetraalkylimidazol-2-ylidene synthetisiert, welche als 0.01 mM Lösung auf Gold(111)-Substrate aufgebracht wurden. Die Goldsubstrate wurden anschließend mittels XPS untersucht. Die XPS-Analyse der modifizierten Goldsubstrate zeigte, dass eine Bindung der Carbene auf der Oberfläche stattgefunden hat. Es zeigte sich allerdings auch, dass keine SAM gebildet wurden, da die Oberfläche signifikant mit kohlen- und sauerstoffbasierten Verbindungen kontaminiert ist. Dabei kann vermutet werden, dass die Carbene nicht ausschließlich auf der Goldoberfläche selbst, sondern auch mit den auf der Oberfläche befindlichen Verbindungen reagiert haben.

Probing the functionalization of gold surfaces and protein adsorption by PM-IRRAS

The control of morphology and coating of metal surfaces is essential for a number of organic electronic devices including photovoltaic cells and sensors. In this study, we monitor the functionalization of gold surfaces with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA, HS(CH(2))(10)CO(2)H) and cysteamine, aiming at passivating the surfaces for application in surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Using polarization-modulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS), cyclic voltammetry, atomic force microscopy and quartz crystal microbalance, we observed a time-dependent organization process of the adsorbed MUA monolayer with alkyl chains perpendicular to the gold surface. Such optimized condition for surface passivation was obtained with a systematic search for experimental parameters leading to the lowest electrochemical signal of the functionalized gold electrode. The ability to build supramolecular architectures was also confirmed by detecting with PM-IRRAS the adsorption of streptavidin on the MUA-functionalized gold. As the approaches used for surface functionalization and its verification with PM-IRRAS are generic, one may now envisage monitoring the fabrication of tailored electrodes for a variety of applications.

Silsesquioxane as a New Building Block Material for Modified Electrodes Fabrication and Application as Neurotransmitters Sensors

Nanostructured films comprising a 3-n-propylpyridiniunn silsesquioxane polymer (designated as SiPy(+)Cl(-)) and copper (II) tetrasulfophthalocyanine (CuTsPc) were produced using the Layer-by-Layer technique (LbL). To our knowledge this is the first report on the use of silsesquioxane derivative polymers as building blocks for nanostructured thin films fabrication. Deposition of the multilayers were monitored by UV-Vis spectroscopy revealing the linear increment in the absorbance of the Q-band from CuTsPc at 617 nm with the number of SiPy(+)Cl(-)/CuTsPc or CuTsPc/SiPy(+)Cl(-) bilayers. FTIR analyses showed that specific interactions between SiPy+Cl- and CuTsPc occurred between SO(3)(-) groups of tetrasulfophthalocyanine and the pyridinium groups of the polycation. Morphological studies were carried out using the AFM technique, which showed that the roughness and thickness of the films increase with the number of bilayers. The films displayed electroactivity and were employed to detection of dopamine (DA) and ascorbic acid (AA) using cyclic voltammetry, at concentrations ranging from 1.96 x 10(-4) to 1.31 x 10(-3) molL(-1). The number and the sequence of bilayers deposition influenced the electrochemical response in presence of DA and AA. Using differential pulse technique, films comprising SiPy(+)/CuTsPc were able to distinguish between DA and ascorbic acid (AA), with a potential difference of approximately with 500 mV, in the concentration range of 9.0 x 10(-5) to 2.0 x 10(-4) molL(-1), in pH 3.0.

Optimization of incubation time of protein Tc85 in the construction of biosensor: Is the EIS a good tool?

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in pH 6.9 phosphate buffer solution was used to investigate each step of the procedure employed to modify a screen-printed electrode (SPE). The SPE was modified with self-assembled monolayers (SAMs) of cystamine (CYS, deposited from 20 mM solution), followed by glutaraldehyde (GA, 0.3 M solution). The Trypanosoma cruzi antigen was immobilized using different deposition times. The influence of incubation time (2-18 h) of protein was also investigated. The topography of modified electrode with this protein was investigated by atomic force microscopy (AFM). Interpretation of impedance data was based on physical and chemical adsorption, and degradation of the layer at high and meddle frequencies, and charge transfer reaction involving mainly the reduction of oxygen at low frequencies. EIS studies on modified electrodes with Tc85 protein immobilized for different incubation times indicated that the optimum incubation time was 6-8 h. It was demonstrated that EIS is a good technique to evaluate the different steps and the integrity of the surface modifications, and to optimize the incubation time of protein in the development of biosensors. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Chemical modification of a nanocrystalline TiO(2) film for efficient electric connection of glucose oxidase

A novel biosensor for glucose was prepared by adsorption of 1,1`-bis(4-carboxybenzyl)-4,4`-bipyridinium di-bromide compound (H(2)BpybcBr(2)) onto the surface of a nanocrystalline TiO(2) film deposited onto FTO glasses, which was used as a platform to assemble the enzyme glucose oxidase to the electrode surface. The H(2)BpybcBr(2)/TiO(2)/FTO modified electrode was characterized by scanning electron microscopy, X-ray fluorescence image, cyclic voltammograms and spectroelectrochemical measurements. The immobilization of GOD on functionalized TiO(2) film led to stable amperometric biosensing for glucose with a linear range from 153 mu mol L(-1) to 1.30 mmol L(-1) and a detection limit of 51 mu mol L(-1). The apparent Michaelis-Menten constant (K(m)) was estimated to be 3.76 mmol L(-1), which suggested a high enzyme-substrate affinity. The maximum electrode sensitivity was 1.25 mu A mmol L(-1). The study proved that the combination of viologen mediators with TiO(2) film retains the electrocatalytic activity of the enzyme, and also enhances the electron transfer process, and hence regenerating the enzyme in the reaction with glucose. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Thionicotinamide SAM on Gold: Adsorption Studies and Electroactivity

STM and impedance results of the self-assembled monolayer (SAM) formed with thionicotinamide (TNA) on gold indicate the presence of defects that increase with the immersion time of the electrode in the TNA solution affecting the SAM electroactivity toward the electron transfer reaction of the cytochrome e metalloprotein and [Fe(CN)(6)](4-) and [Ru(NH(3))(6)](3+) complexes. It was observed that this electroactivity was also affected by the pH of the electrolyte solution. SERS and STM data indicate sulfur coordination to the surface with contribution of the NH(2) group. From the dependence of the TNA surface coverage on the temperature and concentration in solution, thermodynamic parameters of adsorption were determined.

Supramolecular Approach to Gold Nanoparticle/Triruthenium Cluster Hybrid Materials and Interfaces

A systematic and comprehensive study of the interaction of citrate-stabilized gold nanoparticles with triruthenium cluster complexes of general formula [Ru(3)(CH(3)COO)(6)(L)](+) [L = 4-cyanopyridine (4-CNpy), 4,4`-bipyridine (4,4`-bpy) or 4,4`-bis(pyridyl)ethylene (bpe)] has been carried out. The cluster-nanoparticle interaction in solution and the construction of thin films of the hybrid materials were investigated in detail by electronic and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy, Raman scattering spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). Citrate-stabilized gold nanoparticles readily interacted with [Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(L)(3)](+) complexes to generate functionalized nanoparticles that tend to aggregate according to rates and extents that depend on the bond strength defined by the characteristics of the cluster L ligands following the sequence bpe > 4,4`-bpy >> 4-CNpy. The formation of compact thin films of hybrid AuNP/[Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(L)(3)](+) derivatives with L = bpe and 4,4`-bpy indicated that the stability/lability of AuNP-cluster bonds as well as their solubility are important parameters that influence the film contruction process. Fluorine-doped tin oxide electrodes modified with thin films of these nanomaterials exhibited similar electrocatalytic activity but much higher sensitivity than a conventional gold electrode in the oxidation of nitrite ion to nitrate depending on the bridging cluster complex, demonstrating the high potential for the development of amperometric sensors.

Electrochemical behavior of the cistein and diphosfonate for stainless steel in media of HCl 1 mol L(-1)

Amino acids and self assembled monolayers (SAM`s) have been studied as to their inhibiting action on the corrosion of metallic materials. The objective of work is to study the electrochemical behavior of the cisteincisteine, the diphosfonate and the mixture of both in inhibiting the action of corrosion on stainless steel 304 in HCl 1 molL(-1). As the following techniques were used: open circuit potential (OCP), potenciostatic anodic polarization (A P), chronoamperomeny (CA), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and optical microscopy (OM). The results of CA showed that cisteine has a double effect, catalytic and inhibiting, in function of the immersion time of the metallic part in the electrolytic solution. AP curves have shown lesser current density for the system containing cisteine diphosfonate suggesting an inhibiting synergic action. These results have been confirmed by EIS and OM.

Optimization of incubation time of protein Tc85 in the construction of biosensor: Is the EIS a good tool?

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

Tethered DNA scaffolds on optical sensor platforms for detection of hipO gene from Campylobacter jejuni

DNA biosensors have gained increased attention over traditional diagnostic methods due to their fast and responsive operation and cost-effective design. The specificity of DNA biosensors relies on single-stranded oligonucleotide probes immobilized to a transduction platform. Here, we report the development of biosensors to detect the hippuricase gene (hipO) from Campylobacter jejuni using direct covalent coupling of thiol- and biotin-labeled single-stranded DNA (ssDNA) on both surface plasmon resonance (SPR) and diffraction optics technology (DOT, dotLab) transduction platforms. This is the first known report of the dotLab to detect targeted DNA. Application of 6-mercapto-1-hexanol as a spacer thiol for SPR gold surface created a self-assembled monolayer that removed unbound ssDNA and minimized non-specific detection. The detection limit of SPR sensors was shown to be 2.5 nM DNA while dotLab sensors demonstrated a slightly decreased detection limit of 5.0 nM (0.005 μM). It was possible to reuse the SPR sensor due to the negligible changes in sensor sensitivity (∼9.7 × 10 -7 ΔRU) and minimal damage to immobilized probes following use, whereas dotLab sensors could not be reused. Results indicated feasibility of optical biosensors for rapid and sensitive detection of the hipO gene of Campylobacter jejuni using specific ssDNA as a probe. © 2011 Elsevier B.V.

Elucidating capacitance and resistance terms in confined electroactive molecular layers

Electrochemical analyses on confined electroactive molecular layers, herein exemplified with electroactive self-assembled monolayers, sample current contributions that are significantly influenced by additional nonfaradaic and uncompensated resistance effects that, though unresolved, can strongly distort redox analysis. Prior work has shown that impedance-derived capacitance spectroscopy approaches can cleanly resolve all contributions generated at such films, including those which are related to the layer dipolar/electrostatic relaxation characteristics. We show herein that, in isolating the faradaic and nonfaradaic contributions present within an improved equivalent circuit description of such interfaces, it is possible to accurately simulate subsequently observed cyclic voltammograms (that is, generated current versus potential patterns map accurately onto frequency domain measurements). Not only does this enable a frequency-resolved quantification of all components present, and in so doing, a full validation of the equivalent circuit model utilized, but also facilitates the generation of background subtracted cyclic voltammograms remarkably free from all but faradaic contributions. © 2012 American Chemical Society.

Estudo da equivalência entre a lectina artin M obtida a partir da semente da jaca e a sua forma recombinante na afinidade por glicanas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo das propriedades dielétricas e de bloqueio das monocamadas automontadas

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ