Farbstoff-dotierte DNA-Nanofasern senden weißes Licht aus.
Der effiziente Transport von Energie spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer optoelektronischer Materialien. Wahre Meister bei der Weitergabe von Energie über eine hierarchische Organisation von Molekülen sind die Photosynthese-Apparate von Pflanzen. Selbstorganisierte Systeme aus Biomolekülen könnten auch einen Ausgangspunkt für den effizienten Energietransport in einer zukünftigen Optoelektronik bilden. Einem Team aus Wissenschaftlern von der University of Connecticut und dem US Air Force Research Laboratory ist es nun gelungen, durch Elektrospinnen von DNA-Komplexen Nanofasern herzustellen, in denen zwei unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe so eingeschlossenen sind, dass Energie effizient von einem Farbstoff auf den anderen übertragen wird. Die Farbe der entstehenden Fluoreszenz kann über das Verhältnis zwischen den beiden Farbstoffen eingestellt werden. Wie das Team um Gregory A. Sotzing in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, konnte es auf diese Weise sogar rein weiß leuchtende Nanofasern herstellen – eine Lichtfarbe, die in solchen Systemen sonst nur schwer zu erreichen ist.
Durch Elektrospinnen von DNA-Komplexen lassen sich Nanofasern mit hochgeordneter Morphologie herstellen, die als Matrix für homogen verteilte Chromophore dienen. Die Emissionsfarbe kann über die Wahl des Donor-Akzeptor-Paars und das Dotierungsverhältnis eingestellt werden. Die Emission von reinem weißem Licht durch die Nanofasern wird präsentiert.
[Bild: Wiley, Angewandte Chemie]
Beim Elektrospinnen wird eine Polymerlösung durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Dabei entstehen Nanofasern, die sich schließlich in Form eines Vlieses ablagern. Wird die DNA gemeinsam mit einem Tensid und den beiden gewählten Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen einem solchen Spinnprozess unterzogen, entsteht ein DNA-Fasergeflecht mit einer organisierten Mikrostruktur, in dem die Farbstoffe sehr gleichmäßig verteilt sind.
Die beiden Farbstoffe sind so aufeinander abgestimmt, dass sie in eine spezielle Wechselwirkung miteinander treten können, den so genannten Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (engl. Fluorescence resonance energy transfer, abgekürzt als FRET). Bei diesem Prozess werden „Energiepakete“ von einem angeregten Fluoreszenzfarbstoffs (Donor) strahlungsfrei auf einen zweiten Fluoreszenzfarbstoff (Akzeptor) übertragen. Die Intensität des FRET hängt unter anderem vom Abstand dieser beiden Farbstoffe ab. Die beiden gewählten Farbstoffe binden an unterschiedlichen Stellen der DNA, auf diese Weise wird die passende räumliche Verteilung für einen optimalen FRET-Prozess eingehalten – auch bei geringen Akzeptor-Konzentrationen.
Bei Bestrahlung mit UV-Licht absorbiert der Donor die Photonen und fluoresziert blau. Sind Akzeptor-Moleküle im richtigen Abstand vorhanden, wird ein Teil der Energie nicht wieder abgestrahlt, sondern in einem strahlungslosen FRET-Prozess vom Donor an den Akzeptor „weitergereicht“. Die nun angeregten Akzeptormoleküle strahlen die Energie ihrerseits als Fluoreszenz ab – in orange. Je nach dem Konzentrationsverhältnis von Donor zu Akzeptor ändert sich die Farbe des Leuchtens – von Blau über reines Weiß bis zu Orange. Die Farbe kann durch eine Änderung der Gesamt-Farbstoffdichte in der Matrix fein eingestellt werden. So lässt sich durch Erhöhen der Farbstoffbeladung von 1,33 auf 10 % ein „kaltes“ in ein „warmes“ weißes Licht wandeln.
Quellen und Artikel:
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Yogesh Ner, Dr. James G. Grote, Dr. Jeffrey A. Stuart,, Prof. Gregory A. Sotzing: White Luminescence from Multiple-Dye-Doped Electrospun DNA Nanofibers by Fluorescence Resonance Energy Transfer. In: Angewandte Chemie; Volume 121 Issue 28, Pages 5236 - 5240; published online: 9 Jun 2009 DOI: 10.1002/ange.200900885 URL: direct link
