The development of attenuation compensation models of fluorescence spectroscopy signals

This study examines the effect of blood absorption on the endogenous fluorescence signal intensity of biological tissues. Experimental studies were conducted to identify these effects. To register the fluorescence intensity, the fluorescence spectroscopy method was employed. The intensity of the blood flow was measured by laser Doppler flowmetry. We proposed one possible implementation of the Monte Carlo method for the theoretical analysis of the effect of blood on the fluorescence signals. The simulation is constructed as a four-layer skin optical model based on the known optical parameters of the skin with different levels of blood supply. With the help of the simulation, we demonstrate how the level of blood supply can affect the appearance of the fluorescence spectra. In addition, to describe the properties of biological tissue, which may affect the fluorescence spectra, we turned to the method of diffuse reflectance spectroscopy (DRS). Using the spectral data provided by the DRS, the tissue attenuation effect can be extracted and used to correct the fluorescence spectra.

Evaluating the Distribution of Terrestrial Dissolved Organic Matter in a Complex Coastal Ecosystem Using Fluorescence Spectroscopy

The coastal zone of the Florida Keys features the only living coral reef in the continental United States and as such represents a unique regional environmental resource. Anthropogenic pressures combined with climate disturbances such as hurricanes can affect the biogeochemistry of the region and threaten the health of this unique ecosystem. As such, water quality monitoring has historically been implemented in the Florida Keys, and six spatially distinct zones have been identified. In these studies however, dissolved organic matter (DOM) has only been studied as a quantitative parameter, and DOM composition can be a valuable biogeochemical parameter in assessing environmental change in coastal regions. Here we report the first data of its kind on the application of optical properties of DOM, in particular excitation emission matrix fluorescence with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC), throughout these six Florida Keys regions in an attempt to assess spatial differences in DOM sources. Our data suggests that while DOM in the Florida Keys can be influenced by distant terrestrial environments such as the Everglades, spatial differences in DOM distribution were also controlled in part by local surface runoff/fringe mangroves, contributions from seasgrass communities, as well as the reefs and waters from the Florida Current. Application of principal component analysis (PCA) of the relative abundance of EEM-PARAFAC components allowed for a clear distinction between the sources of DOM (allochthonous vs. autochthonous), between different autochthonous sources and/or the diagenetic status of DOM, and further clarified contribution of terrestrial DOM in zones where levels of DOM were low in abundance. The combination between EEM-PARAFAC and PCA proved to be ideally suited to discern DOM composition and source differences in coastal zones with complex hydrology and multiple DOM sources.

Characterization of water-soluble organic compounds in bioaerosols by liquid chromatography and fluorescence spectroscopy

In the last decades, the effects of the air pollution have been increasing, especially in the case of the human health diseases. In order to overcome this problem, scientists have been studying the components of the air. As a part of water-soluble organic compounds, amino acids are present in the atmospheric environment as components of diverse living organisms which can be responsible for spreading diseases through the air. Liquid chromatography is one technique capable of distinguish the different amino acids from each other. In this work, aiming at separating the amino acids found in the aerosols samples collected in Aveiro, the ability of four columns (Mixed-Mode WAX-1, Mixed-Mode HILIC-1, Luna HILIC and Luna C18) to separate four amino acids (aspartic acid, lysine, glycine and tryptophan) and the way the interaction of the stationary phases of the columns with the analytes is influenced by organic solvent concentration and presence/concentration of the buffer, are being assessed. In the Mixed-Mode WAX-1 column, the chromatograms of the distinct amino acids revealed the separation was not efficient, since the retention times were very similar. In the case of lysine, in the elution with 80% (V/V) MeOH, the peaks appeared during the volume void. In the Mixed-Mode HILIC-1 column, the variation of the organic solvent concentration did not affect the elution of the four studied amino acids. Considering the Luna HILIC column, the retention times of the amino acids were too close to each other to ensure a separation among each other. Lastly, the Luna C18 column revealed to be useful to separate amino acids in a gradient mode, being the variation of the mobile phase composition in the organic solvent concentration (ACN). Luna C18 was the column used to separate the amino acids in the real samples and the mobile phase had acidified water and ACN. The gradient consisted in the following program: 0 – 2 min: 5% (V/V) ACN, 2 – 8 min: 5 – 2 % (V/V) ACN, 8 – 16 min: 2% (V/V) ACN, 16 – 20 min: 2 – 20 % (V/V) ACN, 20 – 35 min: 20 – 35 % (V/V) ACN. The aerosols samples were collected by using three passive samplers placed in two different locations in Aveiro and each sampler had two filters - one faced up and the other faced down. After the sampling, the water-soluble organic compounds was extracted by dissolution in ultra-pure water, sonication bath and filtration. The resulting filtered solutions were diluted in acidified water for the chromatographic separation. The results from liquid chromatography revealed the presence of the amino acids, although it was not possible to identify each one of them individually. The chromatograms and the fluorescence spectra showed the existence of some patterns: the samples that correspond to the up filters had more intense peaks and signals, revealing that the up filters collected more organic matter.

Study of the interaction between 10-hydroxycamptothecine and DNA with the use of ethidium bromide dye as a fluorescence probe

The interaction of 10-hydroxycamptothecine (HCPT) with DNA under pseudo-physiological conditions (Tris-HCl buffer of pH 7.4), using ethidium bromide (EB) dye as a probe, was investigated with the use of spectrofluorimetry, UV-vis spectrometry and viscosity measurement. The binding constant and binding number for HCPT with DNA were evaluated as (7.1 ± 0.5) × 104 M-1 and 1.1, respectively, by multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS). Moreover, parallel factor analysis (PARAFAC) was applied to resolve the three-way fluorescence data obtained from the interaction system, and the concentration information for the three components of the system at equilibrium was simultaneously obtained. It was found that there was a cooperative interaction between the HCPT-DNA complex and EB, which produced a ternary complex of HCPT-DNA-EB. © 2011 Elsevier B.V.

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

Synchronous fluorescence and UV–vis spectroscopic studies of interactions between the tetracycline antibiotic, aluminium ions and DNA with the aid of the Methylene Blue dye probe

Synchronous fluorescence spectroscopy (SFS) was applied for the investigation of interactions of the antibiotic, tetracycline (TC), with DNA in the presence of aluminium ions (Al3+). The study was facilitated by the use of the Methylene Blue (MB) dye probe, and the interpretation of the spectral data with the aid of the chemometrics method, parallel factor analysis (PARAFAC). Three-way synchronous fluorescence analysis extracted the important optimum constant wavelength differences, Δλ, and showed that for the TC–Al3+–DNA, TC–Al3+ and MB dye systems, the associated Δλ values were different (Δλ = 80, 75 and 30 nm, respectively). Subsequent PARAFAC analysis demonstrated the extraction of the equilibrium concentration profiles for the TC–Al3+, TC–Al3+–DNA and MB probe systems. This information is unobtainable by conventional means of data interpretation. The results indicated that the MB dye interacted with the TC–Al3+–DNA surface complex, presumably via a reaction intermediate, TC–Al3+–DNA–MB, leading to the displacement of the TC–Al3+ by the incoming MB dye probe.

Kinetic study of DNA/DNA hybridization with electrochemical impedance spectroscopy

The hybridization of immobilized oligonucleotides probe strands with solution phase targets is the underlying principle of microarraybased techniques for the analysis of DNA variation. To study the kinetics of DNA/DNA hybridization, target DNA is often prior labeled with markers. A label-free method of electrochemical impedance spectra (EIS) for study the hybridization in process was reported. The Langmuir model was used to determine the association rate constant (K-on), the dissociation rate constant (K-off) and the affinity rate constant (K-A), for perfect matched DNA hybridization. The results show that, EIS is a successful technique possessing high effectivity and sensitivity to study DNA/DNA hybridization kinetics. This work can provide another view on EIS for the studying of DNA/DNA hybridization.

A temperature-dependent interaction of neutral red with calf thymus DNA

Neutral red (NR) is used as a probe to study the temperature and concentration dependent interaction of a cationic dye with nucleic acid. A temperature-dependent interaction of NR with calf thymus DNA (CT DNA) has been studied by differential pulse voltammetry (DPV), UV-Visible absorption, circular dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy. The experimental results of increasing peak current, changes in the UV-Visible absorption and fluorescence spectra of NR and decreasing the induced circular dichroism (ICD) intensity show that (i) the binding mode of NR molecules is changed from intercalating into DNA base pairs to aggregating along the DNA double helix and (ii) the orientation of NR chromophore in DNA double helix is also changed with the temperature.

Real time monitoring of DNA hybridization and replication using optical and acoustic biosensors

Während in den letzten Jahren zahlreiche Biosensoren zum spezifischen Nachweis von DNA entwickelt wurden, ist die Anwendung oberflächen-sensitiver Methoden auf enzymatische Reaktionen ein vergleichsweise neues Forschungsgebiet. Trotz der hohen Empfindlichkeit und der Möglichkeit zur Echtzeit-Beobachtung molekularer Prozesse, ist die Anwendung dieser Methoden nicht etabliert, da die Enzymaktivität durch die Nähe zur Oberfläche beeinträchtigt sein kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die enzymatische Verlängerung immobilisierter DNA durch eine DNA Polymerase mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie (SPFS) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) untersucht. Die Synthese von DNA wurde im Fall der QCM als Massenzuwachs detektiert, der sich im Abfall der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes und einem Anstieg seiner Dissipationsenergie ausdrückte. Die viskoelastischen Eigenschaften der DNA-Schichten wurden bestimmt, indem die erhaltenen Daten mit einem auf Voigt basierenden Modell ausgewertet wurden. SPFS nutzt das evaneszente elektromagnetische Feld, das mit Oberflächenplasmonen einhergeht, zur oberflächen-sensitiven Anregung von Chromophoren. Auf diese Weise wurde der Einbau von Farbstoff-markierten Nukleotiden in die entstehende DNA-Sequenz als Indikator für das Voranschreiten der Reaktion ausgenutzt. Beide Meßtechniken konnten erfolgreich zum Nachweis der DNA-Synthese herangezogen werden, wobei die katalytische Aktivität des Enzyms vergleichbar zu der in Lösung gemessenen war.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Spectrometric and voltammetric studies of the interaction between quercetin and bovine serum albumin using warfarin as site marker with the aid of chemometrics

The interaction of quercetin, which is a bioflavonoid, with bovine serum albumin (BSA) was investigated under pseudo-physiological conditions by the application of UV–vis spectrometry, spectrofluorimetry and cyclic voltammetry (CV). These studies indicated a cooperative interaction between the quercetin–BSA complex and warfarin, which produced a ternary complex, quercetin–BSA–warfarin. It was found that both quercetin and warfarin were located in site I. However, the spectra of these three components overlapped and the chemometrics method – multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS) was applied to resolve the spectra. The resolved spectra of quercetin–BSA and warfarin agreed well with their measured spectra, and importantly, the spectrum of the quercetin–BSA–warfarin complex was extracted. These results allowed the rationalization of the behaviour of the overlapping spectra. At lower concentrations ([warfarin] < 1 × 10−5 mol L−1), most of the site marker reacted with the quercetin–BSA, but free warfarin was present at higher concentrations. Interestingly, the ratio between quercetin–BSA and warfarin was found to be 1:2, suggesting a quercetin–BSA–(warfarin)2 complex, and the estimated equilibrium constant was 1.4 × 1011 M−2. The results suggest that at low concentrations, warfarin binds at the high-affinity sites (HAS), while low-affinity binding sites (LAS) are occupied at higher concentrations.

The poly dA helix: a new structural motif for high performance DNA-based molecular switches

We report a pH-dependent conformational transition in short, defined homopolymeric deoxyadenosines (dA(15)) from a single helical structure with stacked nucleobases at neutral pH to a double-helical, parallel-stranded duplex held together by AH-HA base pairs at acidic pH. Using native PAGE, 2D NMR, circular dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy, we have characterized the two different pH dependent forms of dA(15). The pH-triggered transition between the two defined helical forms of dA(15) is characterized by CD and fluorescence. The kinetics of this conformational switch is found to occur on a millisecond time scale. This robust, highly reversible, pH-induced transition between the two well-defined structured states of dA(15)represents a new molecular building block for the construction of quick-response, pH-switchable architectures in structural DNA nanotechnology.