Oktroyierte Ausrichtung von organischen, anorganischen und biologischen Fluorophoren für Anwendungen in der Energiekonversion und Fluoreszenzmikroskopie

Hohgardt, Manuel

doi:10.24355/dbbs.084-202209301039-0

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Oktroyierte Ausrichtung von organischen, anorganischen und biologischen Fluorophoren für Anwendungen in der Energiekonversion und Fluoreszenzmikroskopie

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Die Arbeit untergliedert sich in drei Teile, die den Kategorien der untersuchten Fluorophoren entsprechen. Organische Farbstoffe wurden in einer Polymermatrix durch mechanische Verstreckung ausgerichtet. Dabei ist die Struktur der Moleküle für die Ausrichtung in dem verwendeten Polymer entscheidend. Zunächst wurde aus beobachteten, gemessenen Werten eine Gesetzmäßigkeit für die Ausrichtbarkeit von Molekülen auf Grundlage der Strukturen der Moleküle abgeleitet und ein Parameter eingeführt, der für jedes Molekül die Ausrichtbarkeit vorhersagen lässt. Dieser Parameter wurde genutzt um ein Molekül zu finden, dass im rot-orangenen Spektralbereich, passend zur AlGaAs-Schicht von Hocheffizienzphotovoltaik absorbiert und emittiert und sich ausrichten lässt. Mithilfe dessen lässt sich nach einem bekannten Prinzip ein zwei-Pigmente Lumineszierender Solarkonzentrator (engl. luminescent solar concentrator, LSC) herstellen, wobei ein Überschuss an zufällig orientierter Farbstoff Licht sammelt, über Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) an einen ausgerichteten Farbstoff weitergibt, der dann an die Grenze der Polymermatrix emittiert. Dieses Konzept erlaubt ein nahezu verlustfreies einfangen, konzentrieren und umlenken aller Photonen für bestimmte Wellenlängenbereiche von Hochleistungsphotovoltaiken. An der Grenze kann die hocheffiziente Photovoltaik-Zelle (PV-Zelle) angebracht werden, die das emittierte Licht in Energie umwandelt. Dadurch kann Licht über eine große Fläche gesammelt und auf einer kleinen Fläche umgewandelt werden. Außerdem kann auch diffuses Licht besser nutzbar gemacht werde. Die Charakterisierung der Ausrichtung erfolgte dabei über die Messung der 3D-Orientierung einer Vielzahl einzelner Moleküle mithilfe von 3D-Polarisationsmikroskopie, sowie makroskopisch mithilfe von polarisationsabhängiger Fluoreszenzspektroskopie und Goniophotometrie. Energietransferraten wurden mithilfe von Pump-Probe-Spektroskopie untersucht, dabei wurde unter Anderem bestimmt wie lange die Energie in der Gesamtheit der Donor-Moleküle (Donor-Pool) verweilt und wie schnell die Übertragung aus dem Donor-Pool auf ein ausgerichtetes Akzeptor-Molekül erfolgt.

Im zweiten Teil wurden Nanoplättchen in Fasern untersucht. Die Methode des stable jet electrospinning (SJES, deutsch etwa: stabiler Strahl stromspinnen) wurde zum Erzeugen der Fasern genutzt. Dabei haben sich die anorganischen Fluorophore unerwartet senkrecht zur Faserspinnrichtung aufgestellt, was für viele Anwendungen eine sehr nützliche Entdeckung ist, da der Großteil des Lichtes dann in Faserrichtung emittiert wird. Die Analyse erfolgte mikroskopisch ebenfalls mithilfe von 3D-Polarisationsmikroskopie und makroskopisch mithilfe von Goniophotometrie und polarisationsabhängiger Fluoreszenzspektroskopie. Durch die Abstrahlungscharakteristik, die sich entscheidend von der donutförmigen Abstrahlcharakteristik von organischen Molekülen unterscheidet, wurde zudem eine Probe untersucht, bei der die Nanopartikel flach auf einer Oberfläche fixiert wurden. Dadurch konnte die Analyse für die Nanopartikel angepasst werden. Die Ausrichtung ist vermutlich auf eine Mischung aus Spannungs- und Entspannungskräften zurückzuführen.

Im letzten Teil der Arbeit wurden schaltbare Fluoreszenzproteine einseitig und doppelseitig an Membranen von Nerven- und HeLa-Zellen befestigt und somit wiederum eine gezielte Orientierung der Emitter zur Membranoberfläche erzwungen. In Abhängigkeit der einseitigen und doppelseitigen Verankerung weisen die Proteine eine unterschiedliche Beweglichkeit auf. Dies wurde genutzt um basierend auf der hochauflösende Mikroskopiemethode SPoD/ExPAN (engl. Superresolution by Polarisation Demodulation/ Excitation Polarisation Angle Narrowing, Hochauflösung durch Polarisationsmodulation/Anregungspolarisationswinkel Schmälerung) einen neuen Aufbau für photoschaltbare Proteine zu etablieren und den Einfluss der einfachen und doppelten Verankerung auf die Auflösung darzustellen. Es konnte letztlich eine Polarisationswinkelverschmälerung bei der doppelten Verankerung aufgezeigt werden.

Insgesamt konnte die oktroyierte Ausrichtung verschiedener Farbstoffe charakterisiert und die Vorteile, die damit einhergehen unterstrichen werden.

The thesis consists of three parts corresponding to the categories of fluorophores studied. Organic dyes have been aligned in a polymer matrix by mechanical stretching. The structure of the molecules is decisive for the alignment in the polymer used. First, based on the observed measurements and depended from the structures of the molecules a prediction parameter for the alignment ability for every molecule was introduced. This parameter was used to find a molecule that absorbs and emits in the red-orange spectral range and can be aligned. With their help, a two-pigment luminescent solar concentrator (LSC) can be made according to a well-known principle. In this principle a lot of randomly oriented dyes collect light and transfer the energy to a few aligned dyes via Förster resonance energy transfer (FRET). These acceptors then emit to the edge of the polymer matrix. A highefficiency photovoltaic (PV) cell can be attached to this edge, converting the emitted light into energy. As a result, light can be collected over a large area and converted over a small area. In addition, diffuse light can also be used. The LSC system developed here emits for a PV cell based on the AlGaAs band gap. The orientation was characterized over the full angular distribution using 3D polarization microscopy and macroscopically using polarization-dependent fluorescence spectroscopy and goniophotometry. The energy transfer rates were investigated using pump-probe spectroscopy. Among other things, it was determined how long the energy remains in the entire donor molecules (donor pool) and how quickly the transfer from the donor pool to an aligned acceptor molecule takes place.

In the second part, nanoplatelets in fibres were researched using the stable jet electrospinning (SJES) method to generate the fibres. Counter intuitive the inorganic fluorophores line up along the fibre direction, as the investigations have shown. Analysis was performed microscopically using 3D polarization microscopy and macroscopically using goniophotometry and polarization-dependent fluorescence spectroscopy. Due to the radiation pattern, which differs significantly from the donut-shaped radiation pattern of organic molecules, an additional sample, with nanoparticles fixed flat on a surface, was also investigated. This allowed the analysis to be adapted for nanoparticles. The alignment is likely due to a mix of tension and relaxation forces.

In the last part of the thesis, switchable fluorescent proteins were single and double tagged to the membranes of nerve and HeLa cells. Therefore, they have different degrees of mobility. This was used to establish a new microscopy setup for photoswitchable proteins based on the high-resolution microscopy method SPoD/ExPAN (Superresolution by Polarization Demodulation/Excitation Polarization Angle Narrowing) and to show the influence of the single and double tagged cells on the resolution of the imaging. In fact, an significant narrowing could be shown with the double tagged samples.

Overall, the forced orientation of various dyes could be characterized and the associated advantages underlined.