ReSEARCH BAM


Nahinfrarot emittierende Chrom(III)-Komplexe - Design und Anwendungen
Projektleitung
	Dr. rer. nat. Ute Resch-Genger BAM - 1.5 Proteinanalytik E-Mail: Ute.Resch@bam.de
Förderstruktur
	DFG - DFG - Sachbeihilfen
Projektbeginn
	01.07.2017
Projektende
	30.09.2021
Projektart
	Realisierte Antragsforschung
Themen-/Aktivitätsfeld
	THEMENFELD Analytical Sciences, * Sensorik
Abstract
	Die wegweisenden Ziele des gemeinsamen Projekts sind Entwicklung und Anwendung neuartiger, molekularer, photostabiler, stark lumineszierender Chrom(III)-basierter NIR-Emitter (Molekulare Rubine). Diese sollen teure organische NIR-Farbstoffe und auf 4d/5d-Übergangsmetall- und Lanthanid-Komplexen basierende NIR-Emitter in photophysikalischen, photochemischen und sensorischen Anwendungen ersetzen bzw. ergänzen und grundlegend neuartige Anwendungen basierend auf der einzigartigen Zustandslandschaft von Chrom(III) in einem starken Ligandenfeld ermöglichen.Diese Zielsetzung wird durch rationales, Theorie-geleitetes Design von tridentaten Liganden für Chrom(III) erreicht. Große Chelatbisswinkel bewirken eine optimale Überlappung von Metall- und Ligandorbitalen. Starke Sigma-Donorliganden (elektronenreiche Pyridine, Carbene und cyclometallierende Liganden) sollen das Ligandenfeld weiter verstärken. Dieses Konzept unterdrückt unerwünschte Fluoreszenz und Photodissoziationsreaktionen und verstärkt gleichzeitig die NIR-Phosphoreszenz mit Quantenausbeuten weit über 10 %. Substituenten am Liganden und verschiedene Liganddonoratome sollen darüber hinaus die Emissionsenergie und -Lebensdauer gezielt einstellen. Für innovative Anwendungen in den Lebens- und Materialwissenschaften werden die Chrom(III)-basierten Emitter zudem in Nanopartikel und Mizellen eingeschlossen. Diese molekularen und nanopartikulären Emitter ermöglichen eine Vielzahl an Anwendungen, die in Machbarkeitsstudien demonstriert werden:a) In Kombination mit O2-unempfindlichen Emittern erlaubt die O2-Empfindlichkeit der Chrom(III)-Emitter eine ratiometrische optische Sauerstoffbestimmung. Durch Kombination mit pH-sensitiven Emittern werden optische ratiometrische pH-Sensoren erhalten. Die große Energiedifferenz zwischen Absorptions- und Emissionsmaxima molekularer Rubine vermindert spektralen Crosstalk der jeweiligen Emitter.b) Diese Sensor-Eigenschaften werden auch in biologischer Umgebung (z.B. Tumorzellen) genutzt.c) Die Einstellung der Lebensdauern molekularer Rubine in Nanopartikeln ermöglicht Lebensdauer-basierte Multiplex-Anwendungen.d) Die Kombination von angeregtem Dublettzustand und Quartettgrundzustand ermöglicht Anwendungen als Photosensibilisatoren zur Erzeugung von Singulettsauerstoff und zur Triplettgenerierung ausgehend von organischen Aziden (Licht-sensibilisierte organische Synthese).e) Die Energiedifferenz zwischen den emissiven 2E- und 2T-Zuständen in der Größenordnung der thermischen Energie und die Boltzmann-gewichtete Besetzung dieser Zustände legen molekulare Rubine als kontaktlose ratiometrische, optische, Thermometer basierend auf einem einzigen Emittertyp nahe.f) Die bei höherem Druck zunehmende Kovalenz der Chrom-Ligand-Bindungen verringert die Energie des 2E-Zustands und daher können molekulare Rubine als optische Drucksensoren dienen.g) Die Kombination von Paramagnetismus und Emission wird innovative Untersuchungen in magnetischen Feldern ermöglichen.