01.09.2021
Grafik: Chemische Struktur des Sensors und Fluoreszenzfarbe

Chemische Struktur des Sensors und Fluoreszenzfarbe bei pH 7,0 und 2,0; unten: (a) Emissionsspektren, (b) pKa plot und (c) Antwortzeit).

Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik

Der pH-Wert, der negative Logarithmus der Protonen-Konzentration, ist ein häufig gemessener Parameter in den Lebens- und Materialwissenschaften, z.B. als Marker für die richtige Funktion von Zellen, das Auftreten von Entzündungen oder Krebs sowie von Korrosionsprozessen. Der pH-Wert kann mit pH-responsiven Sensormolekülen, die ihre Absorptions- und/oder Emissionsfarbe pH-abhängig ändern, optisch bestimmt werden. Applikationsrelevante Eigenschaften solcher Sensorfarbstoffe, die allein oder integriert in Trägermaterialien wie Polymerfilme oder Nanopartikel eingesetzt werden, sind die Größe der pH-induzierten Änderungen der ausgelesenen optischen Eigenschaften, die Effizienz von Absorption und Fluoreszenz, und die Antwortzeit. Um die fluoreszenzbasierte Analyt-Quantifizierung zuverlässig und unabhängig von der Anregungslichtintensität zu machen, die fluktuieren kann, wird ein Sensormolekül oft mit einem spektral unterscheidbaren Analyt-insensitiven Referenz-Farbstoff in einem sogenannten ratiometrischen Sensorsystem kombiniert, Dann wird der Quotient der Emissionen beider Moleküle ausgelesen. Für ein möglichst einfaches Design solcher Systeme werden Analyt-responsive Moleküle mit einer integrierten Referenz benötigt, die zwei- oder dreifarbig emittieren. Derzeit entwickelt der Fachbereich Biophotonik verschiedene zwei- und dreifarbig fluoreszierende Sensormoleküle. Dafür werden zwei oder drei Farbstoffe in einem Molekül kombiniert. So konnten wir durch die Kombination von zwei Phenanthren- und einer Rhodamin-Einheit ein in drei Farben fluoreszentes Sensormolekül erhalten, mit Emissionsbanden bei 351 nm (ultraviolett), 500 nm (grün) und 582 nm (rot), die der Emission des Phenanthren-Monomers, des Phenanthren-Exzimers (gebildet durch die Interaktion von zwei benachbarten Phenanthrenen im angeregten Zustand) und des Rhodamins entsprechen. Die grüne Fluoreszenz des Phenanthren-Exzimers fungiert dabei als Referenz für pH-Messungen mit der roten Rhodamin-Fluoreszenz, die durch die pH-induzierte Öffnung des Spirolactam-Ringes angeschaltet wird. Auch die Emission des Phenanthren-Monomers bei 351 nm ist pH-sensitiv. Die Exzimer-/Monomer-Emission von Phenanthren und die Emission des Rhodamins können kombiniert oder einzeln zur präzisen Messung von pH-Werten in der Umgebung des Sensormoleküls im pH-Bereich von 7,5 bis 1 engesetzt werden.

Synthesis and spectroscopic characterization of a fluorescent phenanthrene-rhodamine dyad for ratiometric measurements of acid pH values
Priyanka Srivastava, Paul Christian Fürstenwerth, J. F. Witte, Ute Resch-Genger
veröffentlicht in New Journal of Chemistry, Band 45, Heft 31, Seite 13755-13762
BAM, Fachbereich Biophotonik