Energy Transfer Between Chromophores Bound to Layered Silicate Surfaces

Abstract

Der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) beschreibt den Prozess, bei dem die überschüssige Energie eines angeregten Donormoleküls durch nichtstrahlende Dipol-Dipol-Kopplung auf ein nahe gelegenes, ruhendes Akzeptormolekül übertragen wird. Da sich das Akzeptormolekül in unmittelbarer Nähe des Donormoleküls befinden muss, ist FRET empfindlich gegenüber dem Abstand und der Ausrichtung zwischen Donor- und Akzeptormolekülen, was die Bedeutung eines definierten Systems zur Optimierung der FRET-Effizienz unterstreicht. Die Einbindung von Nanopartikeln als Matrize bietet einen strategischen Vorteil bei der Immobilisierung von Akzeptor- und Donormolekülen. In dieser Dissertation die Verknüpfung organischer Chromophore mit einem Schichtsilikat und die Entwicklung von drei verschiedenen FRET-Systemen auf der Grundlage der resultierenden organisch-anorganischen Hybride untersucht. Im ersten System wurde ein Perylendiimid kovalent an die Randoberfläche von Laponit (Lap) als Akzeptor gebunden, gefolgt von der Assoziation eines Donor-Moleküls mit der basalen Oberfläche durch Ionenaustausch. Es wurde ein FRET von dem an der Basalfläche von Lap befindlichen Donor zu dem an die Lap-Kante gebundenen Akzeptor beobachtet. Im zweiten System wurden ein Naphthalindiimid-Donor und ein Perylendiimid-Akzeptor kovalent an die Randoberflächen von zwei separaten LAP-Teilchen gebunden. Beide Chromophore an den Randflächen von Lap bildeten in einem Lösungsmittelgemisch mit hohem Wassergehalt Aggregate, und es wurde FRET zwischen diesen randgebundenen Chromophoren beobachtet. Die Verwendung eines kationischen Tensids zur Bildung einer organisierten Stapelung von Lap-Teilchen führte zu einer günstigen Ausrichtung zwischen Donor- und Akzeptormolekülen für FRET, was zu einer erheblichen Steigerung der FRET-Effizienz führte. Das letzte System konzentrierte sich auf eine zweistufige FRET-Kaskade, bei der FRET von einem kantengebundenen Lap-Donor zum intermediären Donor/Akzeptor auf der basalen Oberfläche stattfindet, gefolgt von FRET vom intermediären Donor/Akzeptor auf der basalen Oberfläche zu einem anderen kovalent kantengebundenen Akzeptor. Zusätzlich zur Beobachtung von Kaskaden-FRET führten bestimmte Lösungsmittelzusammensetzungen zu einer erhöhten FRET-Effizienz. In dieser Dissertation wird die Synthese von chromophor-modifiziertem Lap vorgestellt und es werden drei verschiedene FRET-Systeme untersucht, die auf nanoskopischen organisch-anorganischen Hybriden basieren. Die Verwendung eines Schichtsilikattons als Nanomaterialvorlage mit anisotroper Oberflächenchemie ermöglicht eine vielseitige Synthese, die zu einer präzisen Kontrolle über die Immobilisierung organischer Chromophore für den Energietransfer und zu einem verbesserten Energietransfer bei einer relativ niedrigen Chromophorkonzentration führt. Diese Studien stellen einen neuartigen Ansatz für die Synthese von organisch-anorganischen hybriden Nanomaterialien mit abstimmbaren physikalischen und photophysikalischen Eigenschaften dar und erweitern die potenziellen Anwendungen von FRET und Materialien auf Nanopartikelbasis, wie etwa Leuchtdioden, Energiespeicher, Photovoltaik und Biosensoren.