Untersuchungen zur Effizienz der Triplettsensibilisierung mit Thioxanthonen

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KUCINA, Dennis, 2011. Untersuchungen zur Effizienz der Triplettsensibilisierung mit Thioxanthonen

@phdthesis{Kucina2011Unter-13691, title={Untersuchungen zur Effizienz der Triplettsensibilisierung mit Thioxanthonen}, year={2011}, author={Kucina, Dennis}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

Untersuchungen zur Effizienz der Triplettsensibilisierung mit Thioxanthonen deposit-license Kucina, Dennis 2012-05-12T22:25:04Z 2011-06-20T10:29:49Z deu 2011 Elektronische Energieübertragung insbesondere aus langlebigen Triplettzuständen der Energiedonoren spielt eine wichtige Rolle bei vielen wissenschaftlich/technischen Anwendungen wie der Sensibilisierung von Photoreaktionen, der Lumineszenzanregung schwach absorbierender Luminophore wie den Ionen seltener Erden, der Erzeugung von Singulettsauerstoff, oder beim Studium der Faltungsdynamik z.B. von Proteinketten mit Hilfe von kovalent gebundenem Energiedonor und -akzeptor.<br /><br /><br /><br />Die Triplettenergieübertragung von Thioxanthon auf den als photolabile Schutzgruppe von Nukleosiden fungierenden 2-Nitrophenyl-2-propoxycarbonyl-(NPPOC) Chromophor, durch welche die lichtadressierte Oligonukleotidsynthese auf DNA-Chips in ihrer Lichtempfindlichkeit verbessert werden kann, stand schon seit Längerem im Interessenfokus der Arbeitsgruppe. Eine aus der Industrieforschung erhaltene Information, dass sich diese Sensibilisierungsreaktion durch Substituentenvariation am Sensibilisator, sowie die Wahl von Lösungsmittel und Anregungswellenlänge optimieren lässt, wurde im Rahmen einer dieser Dissertation vorausgehenden Diplomarbeit systematisch verfolgt und signifikante Abhängigkeiten von den genannten Parametern bestätigt und quantifiziert. In der vorliegenden Dissertation wurde die Fragestellung nach den die Triplett-Sensibilisierungseffizienz bestimmenden Parametern auf eine breitere Basis gestellt, indem eine repräsentative Auswahl charakteristischer Akzeptorsysteme vergleichend untersucht wurde. Neben der nochmals genauer zu überprüfenden Sensibilisierung der NPPOC-Reaktion waren dies die Sensibilisierung von Naphthalin, die Erzeugung von Singulettsauerstoff, sowie die sensibilisierte Lumineszenzanregung von Eu3+ -Ionen. Als Sensibilisatoren wurden Thioxanthon (TX) und 2-Isopropylthioxanthon (iPrTX) verglichen, als Lösungsmittel MeOH und DMSO, als Anregungswellenlängen 366 nm (HBO-Lampe) bzw. 355 nm (ND-YAG Laser, frequenzverdreifacht) und 405 nm, die in der Nähe des langwelligen Maximums des Sensibilisators, bzw. im langwelligen Ausläufer dieser Bande liegen.<br /><br /><br /><br />Vor den eigentlichen Experimenten zur Energieübertragung wurden zunächst die spektroskopischen und photophysikalischen Eigenschaften der eingesetzten Thioxanthone lösungsmittel- und wellenlängenabhängig charakterisiert. Die Thioxanthonezeichnen sich neben einer hohen Triplettenergie und einer langen Triplettlebensdauer auch durch eine hohe Photostabilität aus. Sie besitzen in beiden Lösungsmitteln (MeOH und DMSO) ähnliche Absorptionsspektren. Alkylierte Thioxanthonderivate (Ethyl-TX und iPrTX) besitzen gegenüber dem TX ein leicht bathochrom verschobenes Absorptionsspektrum. Die Fluoreszenz des TX ist dagegen nur halb so stark, wie die Fluoreszenz seiner Alkylderivate. In DMSO zeigen alle Thioxanthone eine deutlich geringere Fluoreszenz als in MeOH. Dies lässt auf eine höhere Triplettquantenausbeute Φ<sub>T</sub> in DMSO schließen. Die Triplettquantenausbeute wurde andererseits hinsichtlich ihrer Lösungsmittel- und Wellenlängenabhängigkeit auch direkt gemessen. Hierzu wurde das Lasersättigungsverfahren nach CARMICHAEL eingesetzt. Als Referenzverbindung diente Phenalenon. In MeOH zeigt sich für Φ<sub>T</sub>, das hier für die untersuchten Thioxanthone um Werte von 0.6 liegt, praktisch keine Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge. Lediglich das ETX besitzt bei Anregung mit 405 nm einen um 0.1 Einheiten höheren Wert als bei Anregung mit 355 nm. In DMSO sind die Werte, die hier um 0.8 liegen, für alle Thioxanthone signifikant höher als in MeOH. Während das TX auch in DMSO keine Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge zeigt, ist diese bei den Derivaten stark ausgeprägt. Für ETX und iPrTX findet bei einem Wechsel der Anregung von 355 nm zu 405 nm eine Zunahme um 0.12 bzw. 0.13 Einheiten statt. Die höchste Triplettquantenausbeute, Φ<sub>T</sub> = 0.94, erhält man mit iPrTX in DMSO bei Anregung mit 405 nm.<br /><br /><br /><br />Die aus den Vorarbeiten der Dissertation bekannten Effekte auf die durch Thioxanthone sensibilisierte Entschützung von NPPOC-geschütztem Thymidin (NPPOC-T) wurden exemplarisch mit den oben angegebenen Variationen von Thioxanthonsubstituent, Lösungsmittel und Anregungswellenlänge nochmals sorgfältig wiederholt und kritisch ausgewertet. Unter stationärer Belichtung wurde die Photokinetik mittels HPLC Analyse quantifiziert und durch kinetische Simulation als Maß für die Sensibilisierungseffizienz die Grenzquantenausbeute Φ<sup>0</sup><sub>Sens</sub> bestimmt. Diese gibt die photochemische Quantenausbeute der Entschützungsreaktion unter der Bedingung der vollständigen Löschung des Sensibilisatortripletts durch den Energieakzeptor NPPOC-T an. Die erhaltenen Φ<sup>0</sup><sub>Sens</sub>-Werte zeigen eine systematische Abnahme beim Übergang von DMSO zu MeOH, von TX zu iPrTX und von 366 nm zu 405 nm. Einzig in DMSO bei Anregung mit 405 nm ist iPrTX der bessere Sensibilisator. Die Sonderrolle dieses Systems findet sich interessanterweise auch bei den im Folgenden beschriebenen Akzeptorsystemen und sie korreliert auch mit der erhöhten Triplettquantenausbeute dieses Systems (s.o.).<br /><br /><br /><br />Grundsätzlich wird die Sensibilisierungseffizienz, die in der Größe Φ<sup>0</sup><sub>Sens</sub> zum Ausdruck kommt, durch drei Faktoren beeinflusst: die Triplettbildungsquantenausbeute Φ<sub>T</sub> des Sensibilisators, die Effizienz V•ηET, mit der die elektronische Energie bei vollständiger Löschung des Sensibilisatortripletts beim Energieakzeptor ankommt, und schließlich die Effizienz ηSR, mit welcher der Akzeptortriplett in das Produkt umgesetzt wird. Um den letzteren Faktor völlig auszuschließen, wurde für den nächsten Abschnitt, der sich mit der Energieübertragung auf das Naphthalin beschäftigt, ein Akzeptorsystem gewählt, das einen gut detektierbaren, langlebigen und unreaktiven Triplett besitzt. Der Energietransferprozess kann also direkt von zwei Seiten her beobachtet werden: dem Abklingen des Donortripletts und dem Anklingen des Akzeptortripletts.<br /><br />In DMSO ergibt sich bei Anregung mit 355 nm sowohl für TX als auch für iPrTX ein monoexponentielles Abklingverhalten des Sensibilisators mit einem synchronen Anklingen des Akzeptors und somit ein irreversibler Energietransfer vom Sensibilisator auf das Naphthalin. Allerdings lässt sich durch die kinetische Modellierung der Effizienzparameter V•ηET nicht in seine Faktoren, von welchen der Faktor V dem Parameter Φ<sub>T</sub> proportional ist, separieren. Über den eigentlichen Effizienzparameter V•ET des Energietransfers lassen sich somit zunächst keine Aussagen machen. Regt man das TX bei 355 nm jedoch in Methanol an, so zeigen sich leichte Abweichungen vom monoexponentiellen Abklingverhalten. Die kinetische Einbeziehung des Energierücktransfers von <sup>3</sup>N auf TX, die zu einem biexponentiellen Verlauf der Abklingfunktion von <sup>3</sup>TX führt, liefert einen sehr guten globalen Fit für alle Akzeptorkonzentrationen. Besonders ausgeprägt ist der Energierücktransfer in MeOH für das iPrTX. Offensichtlich wird der Triplettzustand von iPrTX hier energetisch stärker abgesenkt als dies für TX der Fall ist. Mit Hilfe der kinetischen Modellierung der biexponentiellen Kinetik gelingt es, auch den Effizienzparameter V•ηET in seine Faktoren aufzuspalten. Dort, wo dies der Fall ist, ergibt sich für ηET stets ein Wert von 1. Nimmt man dies auch für die mit 355 nm angeregten Sensibilisierungen an, so entspricht das gemessene V in allen Fällen der Triplettbildungsquantenausbeute des Sensibilisators. Die so aus den V-Werten folgenden Triplettbildungsquantenausbeuten Φ<sub>T</sub> zeigen eine gute Übereinstimmung mit den in den Lasersättigungsexperimenten (Kapitel 2, vgl. Tabelle 4.14) erhaltenen Φ<sub>T</sub> Werten. Dies ist ein klarer Beleg für die Verlässlichkeit der kinetischen Modellierung der Energieübertragungsexperimente auf das Naphthalin.<br /><br />Eine deutliche Abweichung von einem solchen Modell zeigt sich jedoch bei allen Anregungen mit 405 nm. Hier klingt der Naphthalintriplett deutlich schneller an, als der Sensibilisatortriplett (bei einer Messung im langwelligen Maximum der TT-Absorption) abklingt. Es muss davon ausgegangen werden, dass der Energietransfer von zwei spektral verschiedenen Sensibilisatorspezies erfolgt. Indizien dafür liefern sowohl die Transientenspektren als auch die beobachtete Kinetik. Bei Anregung mit 405 nm findet man im Transientenspektrum eine zusätzliche TT-Absorptionsbande in Form einer Schulter, deren Maximum kurzwellig verschoben ist (λ = 575 nm). Beobachtet man die Abklingkinetik des TX Tripletts an dieser Stelle, so findet man eine gute Übereinstimmung mit der Anklingkinetik des Naphthalintripletts. Es muss somit davon ausgegangen werden, dass der Energietransfer nach Anregung mit 405 nm von einer anderen Spezies erfolgt als wenn man mit 366 nm anregt. Die Beobachtungen sprechen dafür, dass im Grundzustand zwei unterschiedliche Formen (Konformere) von TX bzw. iPrTX miteinander im Gleichgewicht vorliegen. Ein mögliches Schema zeigt die Abbildung 4.30.<br /><br /><br /><br /><br />In DMSO lässt sich bei TX mit 355 nm bevorzugt die Spezies S anregen. Deren Triplettzustand liegt energetisch höher als derjenige der Spezies S’ und der Energietransfer auf das Naphthalin ist irreversibel. Findet die Anregung bei 405 nm statt, so wird vermehrt S’ angeregt. Dessen Triplettzustand liegt energetisch tiefer als derjenige von S und der Energietransfer verläuft reversibel.<br /><br /><br /><br />Molekularer Sauerstoff als Triplettenergieakzeptor wurde gewählt, weil es für die Effizienz der Singulettsauerstoffbildung in der Literatur bereits ein umfangreiches Erfahrungsmaterial zu deren Abhängigkeit von Lösungsmittel und Sensibilisator, sowie ein etabliertes theoretisches Erklärungsmodell nach SCHMIDT [80, 81] gibt. Schlüsselgrößen dafür sind die Triplett-energie des Sensibilisators, sowie die Lage des Charge-Transfer Zustandes zwischen Sensibilisator und molekularem Sauerstoff. Verlustfreien Energietransfer gibt es nach diesem Modell aus dem Begegnungskomplex zwischen Sensibilisatortriplett und Sauerstoff im Grundzustand, wobei die Ratenkonstante dem bekannten Energielückengesetz folgt. Alternativ werden über die Bildung eines Exciplexes Desaktivierungskanäle geöffnet, die nur mit 25 % Wahrscheinlichkeit zur Bildung von Singulettsauerstoff führen. Die Untersuchung der Singulettsauerstoffbildung mit den Sensibilisatoren dieser Arbeit erfolgte zum einen über den direkten Singulettsauerstoffnachweis durch die Lumineszenz von O2(<sup>1</sup>Σ<sub>g</sub>) im NIR. Diese Untersuchungen, wurden in Kooperation mit Prof. Dr. R. Schmidt an der Universität Frankfurt a.M. durchgeführt. Hierbei stand allerdings nur die Laserwellenlänge 355 nm für die Anregung der Sensibilisatoren zur Verfügung. In einer weiteren, an der Universität Konstanz durchgeführten Messreihe wurde der Singulettsauerstoff über seine Endoperoxidbildung mit Mesodiphenhylhelianthren (MDH) quantifiziert. In diesem Fall wurde mit kontinuierlicher Belichtung bei 366 nm und 405 nm angeregt. Bei den laserinduzierten Lumineszenzmessungen ergab sich sowohl für TX als auch iPrTX in DMSO eine etwa<br />doppelt so hohe Effizienz der Singulettsauerstoffbildung wie in MeOH. Dieses Ergebnis wurde auch in den Messungen mit kontinuierlicher Belichtung und Quantifizierung mittels MDH-Peroxid Bildung reproduziert und zwar sowohl für Anregung mit 366 nm als auch 405 nm. Ein spezifischer Wellenlängeneffekt oder ein genereller Unterschied zwischen TX und iPrTX wurde nicht beobachtet. Ein kleiner Sondereffekt ergab sich jedoch, analog wie bei der Sensibilisierung des NPPOC-T Zerfalls, beim TX/iPrTX Vergleich in DMSO, wo iPrTX bei Anregung mit 405 nm zu einer gewissen Steigerung gegenüber TX führt. Der Lösungsmitteleffekt auf die Singulettsauerstoffbildung mit TX und iPrTX lässt sich sehr gut mittels der SCHMIDTschen Theorie der beiden Löschkanäle interpretieren. Während in MeOH die Löschung zu 80 % über den CT Kanal verläuft, ist dieser in DMSO völlig unterdrückt. In Anbetracht des relativ geringen Polaritätsunterschieds zwischen den beiden Lösungsmitteln ist dies ein beachtlicher Effekt.<br /><br /><br /><br />Als letztes der exemplarischen Akzeptorsysteme wurde das Eu<sup>3+</sup> ausgewählt. Hier handelt es sich um ein anorganisches Ion aus der Reihe der seltenen Erden, das sich durch eine sehr langlebige Emission mit einem für flüssige Lösungen sehr schmalen Linienspektrum auszeichnet. Es handelt sich dabei um f-f Elektronenübergänge, die wegen sehr kleiner Absorptionskoeffizienten in direkter Absorption nicht sehr effektiv angeregt werden können, sodass die Sensibilisierung hier ein häufig geübtes Verfahren ist. Anwendungen findet die sensibilisierte Lumineszenz des Eu<sup>3+</sup> z.B. bei bioanalytischen Verfahren, wobei der Sensibilisator allerdings meist schon als Ligand gebunden ist. In der vorliegenden Arbeit ging es jedoch in erster Linie um die dynamische Art der Energieübertragung mit freier Begegnung von angeregtem Donor und Akzeptor. Die Effizienz der Energieübertragung wurde in diesem System über die stationäre Emissionsintensität unter den eingangs genannten Variationen von Sensibilisator, Anregungswellenlänge und Lösungsmittel gemessen, wobei die Fluoreszenz von Coumarin 47 als Referenzwert für die Normierung der Anregungsbedingungen diente. Die Variationen der Effizienz der Eu<sup>3+</sup>-Sensibilisierung unter den verschiedenen Bedingungen folgte ganz dem bei NPPOC-T beobachteten Muster: in DMSO effizienter als in MeOH, mit TX effizienter als mit iPrTX und bei 366 nm effizienter als bei 405 nm. Hervorzuheben ist jedoch, dass Wellenlängen- und Substituentenabhängigkeit in DMSO wesentlich stärker zu Tage treten als bei NPPOC-T. Auch bei der Sensibilisierung von Eu<sup>3+</sup> findet man wieder die Sonderrolle des Sensibilisierungssystems DMSO/iPrTX/405nm mit der Umkehrung der Reihenfolge TX/iPrTX. Auch dieser Sondereffekt ist bei Eu3+ viel stärker ausgeprägt als bei NPPOC-T.<br /><br /><br /><br />Das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit besteht darin, dass für drei ganz unterschiedliche Akzeptorsysteme (NPPOC-T, O2, Eu<sup>3+</sup>) gezeigt werden konnte, dass in diesen die Triplett-Sensibilisierung mit Thioxanthon in ganz ähnlicher Weise durch Lösungsmittel, Anregungswellenlänge und Sensibilisatorsubstituent beeinflusst wird, wobei die Effizienz unter diesen Einflüssen z.T. in sehr starkem Maße variieren kann. Des Weiteren wurde anhand der Sensibilisierungsexperimente mit Naphthalin als Akzeptor für flüssige Lösung bei Raumtemperatur erstmals gezeigt, dass die langwelligste Absorptionsbande von TX und iPrTX heterogen verbreitert ist, da es möglich ist, durch Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Formen/Konformere dieser Verbindungen in ihrer Triplettzustände anzuregen, die sich bei Energietransfer auch unterschiedlich verhalten. Diese Beobachtung kann grundsätzlich eine Erklärung für die beobachtete Wellenlängenabhängigkeit der Sensibilisierungseffizienz bieten, wenngleich diese im Einzelnen noch nicht ganz verstanden ist.<br /><br />In der Diskussion der beobachteten Variationen der Sensibilisierungseffizienz wurde aufgezeigt, dass Energieverschiebungen des Sensibilisatortripletts infolge von Lösungsmittelwechsel, Substituentenwechsel und Anregungswellenlängenwechsel nicht ausreichen, um die Parallelität der Effekte in allen Akzeptorsystemen zu erklären. Zu einem gewissen, kleineren, Teil resultiert der Lösungsmitteleffekt aus dem Einfluss des Lösungsmittels auf die Triplettbildungsquantenausbeute Φ<sub>T</sub> der Sensibilisatoren. Die Hauptursache des Effekts des Lösungsmittels wie der anderen Einflussgrößen muss jedoch in einem zum Energietransfer konkurrierenden Löschmechanismus bei der Wechselwirkung von angeregtem Sensibilisator und potentiellem Energieakzeptor gesucht werden. Ein Charge Transfer Mechanismus ist hierfür nicht unwahrscheinlich, wie an Hand der abgeschätzten Energielagen der Charge Transfer Zustände belegt werden konnte. Kucina, Dennis

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