Bioconjugates of Fluorescent CdTe Quantum Dots / Entwicklung und Untersuchung von Biokonjugaten mit fluoreszierenden CdTe Quanten Punkten

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-09-14
Issue Year
2015
Authors
Berger, Christina
Editor
Abstract

In this thesis, a variety of spectroscopic as well as microscopic techniques were performed with quantum dots (QDs) – mainly negatively TGA capped QDs, but for reference experiments also positively cysteamine capped ones - and several different biomolecules. The first part of this thesis gives an overview of the theoretical background knowledge of photochemistry, QDs, biomolecules, and bioconjugation, respectively. Next, a full-fledged characterization of different sized QDs as well as QDs with different amounts of stabilizer or Te has been carried out. Moreover, the impact of illumination on the quality of QDs has been investigated here. The main focus in this chapter was to gather more information of the fs transient spectroscopic behavior of QDs, which was very important for the later studies using biomolecules. The first biomolecule, which was used for a complete examination of the interactions between QDs and biomolecules, was HSA. This is a soluble, monomeric protein, which is the most abundant protein in the human blood plasma. It has an unpaired cysteine, which might be the reason why HSA acts as a stabilizer for QDs leading to fewer traps and a better performance of the QDs. Furthermore, it was possible to synthesize QDs only with HSA as stabilizer. In the next Chapter, heme containing proteins and their interaction with QDs have been examined. It was shown that heme containing proteins as well as FeCl3 evoke an electron transfer from QDs to iron leading to reduction. The main focus was here on the interactions of cytochrome c with QDs, but also Hb and Mb as well as FeCl3 were used as reference systems. In the case of negatively capped QDs, an electron transfer was observed, while the use of positively capped QDs inhibited any electron transfer to cytochrome due to repulsive forces. The latter effect appears because of the presence of positive lysines on the surface of the cyt c pocket. Last but not least, the interactions of RF and its photoproducts with QDs were investigated. Here, it was very interesting that illumination of RF - QD samples leads to an increase of the QD size up to 15 nm. Mass spectrometry gave important hints on the reason of this growth. RF, in that particular case, interacts with TGA leading to a loss of TGA on the surface of QDs. Therefore, it causes the overall growth of QDs. In contrast, RF and QDs mixed together without illumination interact via an electron transfer mechanism from QDs to the RF. As reference systems LC and LF were used.

Abstract

In dieser Doktorarbeit wurden eine Vielzahl an unterschiedlichen photophysikalischen Spektroskopie-, wie auch Mikroskopiemethoden verwendet, um die Wechselwirkung von CdTe Quantenpunkten mit verschiedenen Biomolekülen zu untersuchen. Hierbei wurden hauptsächlich CdTe Quantenpunkte mit dem negativen Stabilisator TGA verwendet, für spezielle Referenzmessungen wurde allerdings auch mit einem positiven Stabilisator (Cysteamin) gearbeitet. Der erste Teil der Doktorarbeit liefert einen Überblick über das Hintergrundwissen von Photochemie, Quantenpunkten, die verwendeten Biomoleküle und schließlich Biokonjugation. Im nächsten Kapitel liegt der Fokus auf der Charakterisierung von QDs verschiedener Größen mit unterschiedlichen Stabilisator- bzw. Tellurkonzentrationen. Außerdem wird die Auswirkung von Belichtung auf die Qualität der Quantenpunkte untersucht. Ein wichtiger Punkt dieser Untersuchungen war, mehr Informationen über das Verhalten von Quantenpunkten in der Femtosekundenabsorptionsspektroskopie zu erhalten. Dies war für die weiteren Forschungen mit den verschiedenen Biomolekülen essentiell. Zuerst wurde menschliches Serum Albumin (HSA) verwendet. HSA ist ein gut lösliches, monomeres Protein, welches das häufigste Protein im menschlichen Blutplasma ist. Sein ungepaartes Cystein (-SH) kann in diesem Fall vermutlich mit den Quantenpunkten als Stabilisator reagieren und reduziert somit Oberflächendefektstellen. Dies hat eine Verbesserung der Qualität der Quantenpunkte zur Folge. Außerdem ist es gelungen, Quantenpunkte mit HSA als einzigen Stabilisator zu synthetisieren. Als nächstes wurden Biomoleküle mit Hem-Gruppe, sowie freies Fe3+, als FeCl3 untersucht. Hauptmolekül war hierbei Cytochrom c, als Referenzmoleküle dienten Hämoglobin und Myoglobin, sowie FeCl3. Negative Quantenpunkte reagieren mittels Elektronentransfer und reduzieren das Eisen von 3+ zu 2+. Im Gegensatz dazu reagieren positive Quantenpunkte durch die elektrostatische Abstoßung nicht mit Cytochrom c. Dies liegt an der positiven Ladung der Lysine, die an der Außenseite der Hem-Tasche sitzen. Zum Schluss wurde noch die Wechselwirkung zwischen Riboflavin und seiner Photoprodukte und den Quantenpunkten untersucht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass es zwei verschiedene Mechanismen gibt. Einerseits wachsen die Quantenpunkte bei Zugabe von RF und gleichzeitiger Belichtung bis zu einer Größe von 15 nm. Der Grund hierfür konnte mittels Massenspektrometrie ermittelt werden und ist in einer Reaktion von angeregtem RF und dem Stabilisator TGA begründet. Diese Reaktion entzieht den Quantenpunkten den Stabilisator von der Oberfläche, wodurch diese wachsen können. Andererseits führt eine Reaktion von RF und den Quantenpunkten in Dunkelheit zu einem Elektronentransfer von den Quantenpunkten zum RF. Als Referenzsysteme galten hier Lumiflavin und Lumichrom, welche ein ähnliches Verhalten zeigten.

DOI
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