Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Ruthenium-based light harvesting complexes

Polypyridylkomplexe von Ruthenium(II) besitzen eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und als Photokatalysatoren. [Ru(bpy)3]2+ ist einer der prominentesten Ruthenium(II)-Komplexe und besitzt langlebige angeregte 3MLCT-Zustände mit einer Lebensdauer von 1 µs und einer Lumineszenz-Quantenausbeute von 10%. [Ru(bpy)3]2+ ist chiral und kann Stereoisomere bilden, wenn die Liganden unsymmetrisch substituiert sind oder im Falle von oligonuklearen rac/meso-Komplexen. Bis-tridentate Komplexe wie [Ru(tpy)2]2+ sind achiral und umgehen damit unerwünschte Stereoisomere. [Ru(tpy)2]2+ besitzt jedoch enttäuschende photophysikalische Eigenschaften mit einer 3MLCT-Lebensdauer von nur etwa 0.2 ns und einer Quantenausbeute von ≤ 0.0007%. Die Anbringung von Substituenten an [Ru(tpy)2]2+ sowie die Aufweitung der Liganden-Bisswinkel auf 90° bewirken deutlich verbesserte Eigenschaften der emittierenden 3MLCT-Zustände. rnDieser Strategie folgend wurden in der vorliegenden Arbeit neue bis-tridentate Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Durch Anbringen von Ester-Substituenten und Verwenden von Liganden mit erweiterten Bisswinkeln konnten 3MLCT-Lebensdauern von bis zu 841 ns und Quantenausbeuten von bis zu 1.1% erreicht werden. Die neuen bis-tridentaten Komplexe weisen eine deutlich erhöhte Photostabilität im Vergleich zu tris-bidentatem [Ru(bpy)3]2+ auf. rnDie Komplexe wurden als Emitter in Licht-emittierenden elektrochemischen Zellen eingebaut und zeigen Elektrolumineszenz mit einer tiefroten Farbe, die bis ins NIR reicht. Ebenso wurden die Komplexe als Lichtsammler in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen getestet und erreichen Licht-zu-Energie-Effizienzen von bis zu 0.26%. rnDinukleare, stereochemisch einheitliche Ruthenium(II)-Komplexe wurden oxidiert um die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen Ru(II) und Ru(III) in der einfach oxidierten Spezies zu untersuchen. Die unterschiedlichen Redoxeigenschaften der beiden Rutheniumzentren in den verwendeten dinuklearen Verbindungen führt zu einer valenzlokalisierten Situation in der keine Metall-Metall-Wechselwirkung beobachtet wird. Ebenso wurde die Oxidation eines einkernigen Ruthenium(II)-Komplexes sowie dessen spontane Rückreduktion untersucht.rnEnergietransfersysteme wurden mittels Festphasensynthese hergestellt. Dabei ist ein Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplex als Energie-Akzeptor über eine unterschiedliche Anzahl an Glycineinheiten mit einem Cumarin-Chromophor als Energie-Donor verknüpft. Bei einer kleinen Zahl an Glycineinheiten (0, 1) findet effektiver Energietransfer vom Cumarin- zum Ruthenium-Chromophor statt, wogegen bei zwei Glycineinheiten ein effektiver Energietransfer verhindert ist.rnLicht-induzierte Ladungstrennung wurde erreicht, indem Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplexe als Chromophore in einem Donor-Chromophor-Akzeptor-Nanokomposit eingesetzt wurden. Dabei wurde ein Triphenylamin-enthaltendes Blockcopolymer als Elektronendonor und ZnO-Nanostäbchen als Elektronenakzeptor verwendet. Bei Bestrahlung des Chromophors werden Elektronen in die ZnO-Nanostäbchen injiziert und die Elektronenlöcher wandern in das Triphenylamin-enthaltende Blockcopolymer. rnrn

Lichtsammler hinter Glas : Stabilisierung und Funktionalisierung des pflanzlichen Hauptlichtsammelkomplexes (LHCII) durch biomineralische Einbettung in Nanopartikel

Der Haupt-Lichtsammelkomplex des Fotosystems II (LHCII) setzt sich aus einem Proteinanteil und nicht-kovalent gebundenen Pigmenten – 8 Chlorophyll a, 6 Chlorophyll b und 4 Carotinoide - zusammen. Er assembliert in vivo zu einem Trimer, in dem die Monomereinheiten ebenfalls nicht-kovalent miteinander wechselwirken. Die ausgesprochen hohe Farbstoffdichte und die Tatsache, dass der Komplex rekombinant hergestellt werden kann, machen den LHCII zu einem interessanten Kandidaten für technische Anwendungen wie einer Farbstoffsolarzelle. Allerdings muss hierzu seine thermische Stabilität drastisch erhöht werden.rnDer Einschluss von Proteinen/Enzymen in Silikat erhöht deren Stabilität gegenüber Hitze signifikant. LHCII sollte als erster rekombinanter Membranproteinkomplex mittels kovalent verbundener, polykationischen Sequenzen in Silikat eingeschlossen werden. Hierzu wurde der Komplex auf zwei Weisen polykationisch modifiziert: Auf Genebene wurde die Sequenz des R5-Peptids in den N-terminalen Bereich des LHCP-Gens eingeführt und ein Protokoll zur Überexpression, Rekonstitution und Trimerisierung etabliert. Außerdem wurde eine kovalente Modifikation des trimeren LHCII mit dem Arginin-reichen Protamin über heterobifunktionelle Crosslinker entwickelt. Beide resultierenden LHCII-Derivate waren in der Lage, Silikat autogen zu fällen. Die Stabilisierung der so in Silikat präzipitierten Komplexe war jedoch deutlich geringer als bei nicht-modifizierten Komplexen, die durch eine Spermin-induzierte Copräzipitation eingeschlossenen wurden. Dabei zeigte sich, dass für den Anteil der eingebauten Komplexe und das Ausmaß an Stabilisierung die Größe und klare partikuläre Struktur des Silikats entscheidend ist. Kleine Partikel mit einem Durchmesser von etwa 20 nm führten zu einem Einbau von rund 75 % der Komplexe, und mehr als 80 % des Energietransfers innerhalb des Komplexes blieben erhalten, wenn für 24 Stunden bei 50°C inkubiert wurde. Nicht in Silikat eingeschlossene Komplexe verloren bei 50°C ihren Komplex-internen Energietransfer binnen weniger Minuten. Es war dabei unerheblich, ob die Partikelgröße durch die Wahl des Puffers und des entsprechenden pH-Wertes, oder aber durch Variation des Spermin-zu-Kieselsäure-Verhältnisses erreicht wurde. Wurden die polykationisch veränderten Komplexe in solchen Copräzipitationen verwendet, so erhöhte sich der Anteil an eingebauten Komplexen auf über 90 %, jedoch wurde nur bei der R5-modifizierten Variante vergleichbare Ausmaße an Stabilisierung erreicht. Ein noch höherer Anteil an Komplexen wurde in das Silikatpellet eingebaut, wenn LHCII kovalent mit Silanolgruppen modifiziert wurde (95 %); jedoch war das Ausmaß der Stabilisierung wiederum geringer als bei einer Copräzipitation. Die analysierten Fällungssysteme waren außerdem in der Lage, Titandioxid zu fällen, wobei der Komplex in dieses eingebaut wurde. Allerdings muss das Stabilisierungspotential hier noch untersucht werden. Innerhalb eines Silikatpräzipitats aggregierten die Komplexe nicht, zeigten aber einen inter-trimeren Energietransfer, der sehr wahrscheinlich auf einem Förster Resonanz Mechanismus basiert. rnDies und das hohe Maß an Stabilisierung eröffnen neue Möglichkeiten, rekombinanten LHCII in technischen Applikationen als Lichtsammelkomponente zu verwenden.rn

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

Effect of Pulse Depletion in a Brillouin Optical Time-Domain Analysis System

Energy transfer between the interacting waves in a distributed Brillouin sensor can result in a distorted measurement of the local Brillouin gain spectrum, leading to systematic errors. It is demonstrated that this depletion effect can be precisely modelled. This has been validated by experimental tests in an excellent quantitative agreement. Strict guidelines can be enunciated from the model to make the impact of depletion negligible, for any type and any length of fiber. (C) 2013 Optical Society of America

Quantum dot / optical protein bio-nano hybrid system biosensing

The integration of novel nanomaterials with highly-functional biological molecules has advanced multiple fields including electronics, sensing, imaging, and energy harvesting. This work focuses on the creation of a new type of bio-nano hybrid substrate for military biosensing applications. Specifically it is shown that the nano-scale interactions of the optical protein bacteriorhodopsin and colloidal semiconductor quantum dots can be utilized as a generic sensing substrate. This work spans from the basic creation of the protein to its application in a novel biosensing system. The functionality of this sensor design originates from the unique interactions between the quantum dot and bacteriorhodopsin molecule when in nanoscale proximity. A direct energy transfer relationship has been established between coreshell quantum dots and the optical protein bacteriorhodopsin that substantially enhances the protein’s native photovoltaic capabilities. This energy transfer phenomena is largely distance dependent, in the sub-10nm realm, and is characterized experimentally at multiple separation distances. Experimental results on the energy transfer efficiency in this hybrid system correlate closely to theoretical predictions. Deposition of the hybrid system with nano-scale control has allowed for the utilization of this energy transfer phenomena as a modulation point for a functional biosensor prototype. This work reveals that quantum dots have the ability to activate the bacteriorhodopsin photocycle through both photonic and non-photonic energy transfer mechanisms. By altering the energy transferred to the bacteriorhodopsin molecule from the quantum dot, the electrical output of the protein can be modulated. A biosensing prototype was created in which the energy transfer relationship is altered upon target binding, demonstrating the applicability of a quantum dot/bacteriorhodopsin hybrid system for sensor applications. The electrical nature of this sensing substrate will allow for its efficient integration into a nanoelectronics array form, potentially leading to a small-low power sensing platform for remote toxin detection applications.

Die Festigkeit in Abhängigkeit von Scanstrategien & -optionen beim Lasersintern vom Kunststoff

Die Scanstrategie beim LS vom Kunststoff hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Energieeintrag in das Pulverbett und somit auf die mechanischen und optischen Eigenschaften des Bauteils. Daher bieten manche Systeme die Möglichkeit verschiedener Scanstrategien oder Scanoptionen, die je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden können. In diesem Artikel werden die grundlegenden Aspekte der Scanstrategie beim Laser Sintern vom Kunststoff, sowie die Double-Belichtungsfunktion aufgegriffen, mit dem Ziel den genauen Einfluss der Scanstrategie bzw. Scanoptionen auf die mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten zu ermitteln.

Optimizing infrared to near infrared upconversion quantum yield of β-NaYF4:Er3+ in fluoropolymer matrix for photovoltaic devices

The present study reports for the first time the optimization of the infrared (1523 nm) to near-infrared (980 nm) upconversion quantum yield (UC-QY) of hexagonal trivalent erbium doped sodium yttrium fluoride (β-NaYF4:Er3+) in a perfluorocyclobutane (PFCB) host matrix under monochromatic excitation. Maximum internal and external UC-QYs of 8.4% ± 0.8% and 6.5% ± 0.7%, respectively, have been achieved for 1523 nm excitation of 970 ± 43 Wm−2 for an optimum Er3+ concentration of 25 mol% and a phosphor concentration of 84.9 w/w% in the matrix. These results correspond to normalized internal and external efficiencies of 0.86 ± 0.12 cm2 W−1 and 0.67 ± 0.10 cm2 W−1, respectively. These are the highest values ever reported for β-NaYF4:Er3+ under monochromatic excitation. The special characteristics of both the UC phosphor β-NaYF4:Er3+ and the PFCB matrix give rise to this outstanding property. Detailed power and time dependent luminescence measurements reveal energy transfer upconversion as the dominant UC mechanism.

Highly Efficient IR to NIR Upconversion in Gd2O2S: Er3+ for Photovoltaic Applications

Upconversion (UC) is a promising option to enhance the efficiency of solar cells by conversion of sub-bandgap infrared photons to higher energy photons that can be utilized by the solar cell. The UC quantum yield is a key parameter for a successful application. Here the UC luminescence properties of Er3+-doped Gd2O2S are investigated by means of luminescence spectroscopy, quantum yield measurements, and excited state dynamics experiments. Excitation into the maximum of the 4I15/2 → 4I13/2 Er3+ absorption band around 1500 nm induces very efficient UC emission from different Er3+ excited states with energies above the silicon bandgap, in particular, the emission originating from the 4I11/2 state around 1000 nm. Concentration dependent studies reveal that the highest UC quantum yield is realized for a 10% Er3+-doping concentration. The UC luminescence is compared to the well-known Er3+-doped β-NaYF4 UC material for which the highest UC quantum yield has been reported for 25% Er3+. The UC internal quantum yields were measured in this work for Gd2O2S: 10%Er3+ and β-NaYF4: 25%Er3+ to be 12 ± 1% and 8.9 ± 0.7%, respectively, under monochromatic excitation around 1500 nm at a power of 700 W/m2. The UC quantum yield reported here for Gd2O2S: 10%Er3+ is the highest value achieved so far under monochromatic excitation into the 4I13/2 Er3+ level. Power dependence and lifetime measurements were performed to understand the mechanisms responsible for the efficient UC luminescence. We show that the main process yielding 4I11/2 UC emission is energy transfer UC.

MODIFICATION AND IMPLEMENTATION OF THE RPC HETEROGENEOUS THORAX PHANTOM FOR VERIFICATION OF PROTON THERAPY TREATMENT PROCEDURES

The Radiological Physics Center (RPC) provides heterogeneous phantoms that are used to evaluate radiation treatment procedures as part of a comprehensive quality assurance program for institutions participating in clinical trials. It was hypothesized that the existing RPC heterogeneous thorax phantom can be modified to assess lung tumor proton beam therapy procedures involving patient simulation, treatment planning, and treatment delivery, and could confirm agreement between the measured dose and calculated dose within 5%/3mm with a reproducibility of 5%. The Hounsfield Units (HU) for lung equivalent materials (balsa wood and cork) was measured using a CT scanner. The relative linear stopping power (RLSP) of these materials was measured. The linear energy transfer (LET) of Gafchromic EBT2 film was analyzed utilizing parallel and perpendicular orientations in a water tank and compared to ion chamber readings. Both parallel and perpendicular orientations displayed a quenching effect underperforming the ion chamber, with the parallel orientation showing an average 31 % difference and the perpendicular showing an average of 15% difference. Two treatment plans were created that delivered the prescribed dose to the target volume, while achieving low entrance doses. Both treatment plans were designed using smeared compensators and expanded apertures, as would be utilized for a patient in the clinic. Plan 1a contained two beams that were set to orthogonal angles and a zero degree couch kick. Plan 1b utilized two beams set to 10 and 80 degrees with a 15 degree couch kick. EBT2 film and TLD were inserted and the phantom was irradiated 3 times for each plan. Both plans passed the criteria for the TLD measurements where the TLD values were within 7% of the dose calculated by Eclipse. Utilizing the 5%/3mm criteria, the 3 trial average of overall pass rate was 71% for Plan 1a. The 3 trial average for the overall pass rate was 76% for Plan 1b. The trials were then analyzed using RPC conventional lung treatment guidelines set forth by the RTOG: 5%/5mm, and an overall pass rate of 85%. Utilizing these criteria, only Plan 1b passed for all 3 trials, with an average overall pass rate of 89%.

THE CALIBRATION AND IMPLEMENTATION OF CR-39 NUCLEAR TRACK DETECTOR MATERIAL AS A FAST NEUTRON MICRODOSIMETER

A detailed microdosimetric characterization of the M. D. Anderson 42 MeV (p,Be) fast neutron beam was performed using the techniques of microdosimetry and a 1/2 inch diameter Rossi proportional counter. These measurements were performed at 5, 15, and 30 cm depths on the central axis, 3 cm inside, and 3 cm outside the field edge for 10 $\times$ 10 and 20 $\times$ 20 cm field sizes. Spectra were also measured at 5 and 15 cm depth on central axis for a 6 $\times$ 6 cm field size. Continuous slowing down approximation calculations were performed to model the nuclear processes that occur in the fast neutron beam. Irradiation of the CR-39 was performed using a tandem electrostatic accelerator for protons of 10, 6, and 3 MeV and alpha particles of 15, 10, and 7 MeV incident energy on target at angles of incidence from 0 to 85 degrees. The critical angle as well as track etch rate and normal incidence diameter versus linear energy transfer (LET) were obtained from these measurements. The bulk etch rate was also calculated from these measurements. Dose response of the material was studied, and the angular distribution of charged particles created by the fast neutron beam was measured with CR-39. The efficiency of CR-39 was calculated versus that of the Rossi chamber, and an algorithm was devised for derivation of LET spectra from the major and minor axis dimensions of the observed tracks. The CR-39 was irradiated in the same positions as the Rossi chamber, and the derived spectra were compared directly. ^

Comparative theoretical analysis of continuous wave laser cutting of metals at 1 and 10 um wavelength

We present a derivation and, based on it, an extension of a model originally proposed by V.G. Niziev to describe continuous wave laser cutting of metals. Starting from a local energy balance and by incorporating heat removal through heat conduction to the bulk material, we find a differential equation for the cutting profile. This equation is solved numerically and yields, besides the cutting profiles, the maximum cutting speed, the absorptivity profiles, and other relevant quantities. Our main goal is to demonstrate the model’s capability to explain some of the experimentally observed differences between laser cutting at around 1 and 10 μm wavelengths. To compare our numerical results to experimental observations, we perform simulations for exactly the same material and laser beam parameters as those used in a recent comparative experimental study. Generally, we find good agreement between theoretical and experimental results and show that the main differences between laser cutting with 1- and 10-μm beams arise from the different absorptivity profiles and absorbed intensities. Especially the latter suggests that the energy transfer, and thus the laser cutting process, is more efficient in the case of laser cutting with 1-μm beams.

Hierarchical self-assembly of the DNA-grafted supramolecular polymers

Conjugation of functional entities with a specific set of optical, mechanical or biological properties to DNA strands allows engineering of sophisticated DNA-containing architectures. Among various hybrid systems, DNA-grafted polymers occupy an important place in modern materials science. In this contribution we present the non-covalent synthesis and properties of DNA-grafted linear supramolecular polymers (SPs), which are assembled in a controllable manner from short chimeric DNA-pyrene oligomers. The synthetic oligomers consist of two parts: a 10 nucleotides long DNA chain and a covalently attached segment of variable number of phosphodiester-linked pyrenes. The temperature-dependent formation of DNA-grafted SPs is described by a nucleation-elongation mechanism. The high tendency of pyrenes to aggregate in water, leads to the rapid formation of SPs. The core of the assemblies consists of stacked pyrenes. They form a 1D platform, to which the DNA chains are attached. Combined spectroscopic and microscopic studies reveal that the major driving forces of the polymerization are π-stacking of pyrenes and hydrophobic interactions, and DNA pairing contributes to a lesser extent. AFM and TEM experiments demonstrate that the 1D SPs appear as elongated ribbons with a length of several hundred nanometers. They exhibit an apparent helical structure with a pitch-to-pitch distance of 50±15 nm. Since DNA pairing is a highly selective process, the ongoing studies are aimed to utilize DNA-grafted SPs for the programmable arrangement of functional entities. For example, the addition of non-modified complementary DNA strands to the DNA-grafted SPs leads to the cooperative formation of higher-order assemblies. Also, our experiments suggest that the fluorescent pyrene core of 1D ribbons serves as an efficient donor platform for energy transfer applications.

Hierarchical self-assembly of the DNA-grafted supramolecular polymers

Conjugation of functional entities with a specific set of optical, mechanical or biological properties to DNA strands allows engineering of sophisticated DNA-containing architectures. Among various hybrid systems, DNA-grafted polymers occupy an important place in modern materials science. In this contribution we present the non-covalent synthesis and properties of DNA-grafted linear supramolecular polymers (SPs), which are assembled in a controllable manner from short chimeric DNA-pyrene oligomers. The synthetic oligomers consist of two parts: a 10 nucleotides long DNA chain and a covalently attached segment of variable number of phosphodiester-linked pyrenes. The temperature-dependent formation of DNA-grafted SPs is described by a nucleation-elongation mechanism. The high tendency of pyrenes to aggregate in water, leads to the rapid formation of SPs. The core of the assemblies consists of stacked pyrenes. They form a 1D platform, to which the DNA chains are attached. Combined spectroscopic and microscopic studies reveal that the major driving forces of the polymerization are π-stacking of pyrenes and hydrophobic interactions, and DNA pairing contributes to a lesser extent. AFM and TEM experiments demonstrate that the 1D SPs appear as elongated ribbons with a length of several hundred nanometers. They exhibit an apparent helical structure with a pitch-to-pitch distance of 50±15 nm. Since DNA pairing is a highly selective process, the ongoing studies are aimed to utilize DNA-grafted SPs for the programmable arrangement of functional entities. For example, the addition of non-modified complementary DNA strands to the DNA-grafted SPs leads to the cooperative formation of higher-order assemblies. Also, our experiments suggest that the fluorescent pyrene core of 1D ribbons serves as an efficient donor platform for energy transfer applications.

Evaluation of Polymer Gel Dosimeters for Measurements of Dose and LET in Proton Beams

This project assessed the effectiveness of polymer gel dosimeters as tools for measuring the dose deposited by and LET of a proton beam. A total of three BANG® dosimeter formulations were evaluated: BANG®-3-Pro-2 BANGkits™ for dose measurement and two BANG®-3 variants, the LET-Baseline and LET-Meter dosimeters, for LET measurement. All dosimeters were read out using an OCT scanner. The basic characteristics of the BANGkits™ were assessed in a series of photon and electron irradiations. The dose-response relationship was found to be sigmoidal with a threshold for response of approximately 15 cGy. The active region of the dosimeter, the volume in which dosimeter response is not inhibited by oxygen, was found to make up roughly one fourth of the total dosimeter volume. Delivering a dose across multiple fractions was found to yield a greater response than delivering the same dose in a single irradiation. The dosimeter was found to accurately measure a dose distribution produced by overlapping photon fields, yielding gamma pass rates of 95.4% and 93.1% from two planar gamma analyses. Proton irradiations were performed for measurements of proton dose and LET. Initial irradiations performed through the side of a dosimeter led to OCT artifacts. Gamma pass rates of 85.7% and 89.9% were observed in two planar gamma analyses. In irradiations performed through the base of a dosimeter, gel response was found to increase with height in the dosimeter, even in areas of constant dose. After a correction was applied, gamma pass rates of 94.6% and 99.3% were observed in two planar gamma analyses. Absolute dose measurements were substantially higher (33%-100%) than the delivered doses for proton irradiations. Issues encountered while calibrating the LET-Meter gel restricted analysis of the LET measurement data to the SOBP of a proton beam. LET-Meter overresponse was found to increase linearly with track-average LET across the LET range that could be investigated (1.5 keV/micron – 3.5 keV/micron).