SPR-Messung der Photokinetik mit unterschiedlicher Basenzugabe

Bei der photochemischen Abspaltung der NPPOC- und I-NPPOC-Schutzgruppen von einem an Gold gebundenen SAM wurden über SPR- und XPS- Messungen zweiphasige Photokineti-ken erhalten. Es wurde vermutet, dass der langsamere Teil einer Nebenreaktion zuzuschreiben ist und dass diese durch die Zugabe einer Base reduziert werden könnte.

Um diese Annahme zu überprüfen, wurden dem Lösungsmittel, das während der Bestrahlung durch die Flusszelle fließt, verschiedene Mengen an Natriumacetat, einer mittelstarken Base (pKB = 9.25), in unterschiedlichen Messungen zugegeben. Zunächst wurde I-NPPOC-T-SH aus einer 1 mM ethanolischen Lösung an einen Goldfilm adsorbiert (siehe Abbildung 4.40).

Abbildung 4.40: Adsorption von I-NPPOC-T-SH an Gold und Bestrahlung für unterschiedliche Intervalle mit einer Dauer von 25 s, 10 s, 220 s, 230 s, 60 s, 120 s, 300 s, 2600 s, 2900 s mit UV-Licht von 365 nm unter konstantem Fluss von 10^-4 M NaAc in Ethanol von 0.5 ml/min.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Zeit [s]

 Reflektivität [mV]

hell

dunkel

Adsorption

Wechsel zu 10^-4 M NaAc in EtOH

waschen mit EtOH

Nach Waschen mit Ethanol, um nicht-gebundene Moleküle zu entfernen, wurde eine 10^-4 M Lösung von Natriumacetat in Ethanol in die Flusszelle geleitet und die Oberfläche für ver-schiedene Intervalle mit UV-Licht von 365 nm unter konstantem Fluss der Natriumacetat-Lö-sung bestrahlt. Dabei hat sich das Signal nach 1 h Bestrahlung um 4.3 mV verringert, was etwa 35 % der ursprünglich adsorbierten Monoschicht entspricht und vergleichbar mit einer analogen Messung in reinem Ethanol ist (siehe Tabelle 5).

Wenn man die Signalwerte aus den Dunkelphasen kurz vor dem nächsten Bestrahlungsinter-vall gegen die Bestrahlungszeit aufträgt, erhält man auch hier noch eine zweiphasige Photoki-netik (siehe Abbildung 4.41 a, kschnell = 0.180 s^-1, klangsam = 0.001 s^-1). Im Vergleich mit der Photokinetik einer analogen Messung in Ethanol in Abbildung 4.41 b zeigt sich jedoch, dass sich das Verhältnis vom schnellen zum langsamen Teil bei äquivalent entfernter Menge an Monoschicht verändert hat. Von ursprünglich 1/3 des schnellen zu 2/3 des langsamen Teils der Photokinetik bei der Bestrahlung in reinem Ethanol hat sich das Verhältnis bei der Ver-wendung einer 10^-4 M ethanolischen Natriumacetat-Lösung zu 50/50 verbessert. Außerdem ändert sich das SPR-Signal schon nach den ersten 5 s Bestrahlung deutlich stärker als im Fall der Bestrahlung in reinem Ethanol, was darauf schließen lässt, dass die Zugabe einer Base die Photoreaktion günstig beeinflusst.

Abbildung 4.41: a) Photokinetik zu Abbildung 4.40. Inset: Ausschnitt aus Photokinetik (schneller Teil). b) zum Vergleich: Photokinetik eines analog bestrahlten I-NPPOC-T-SH-SAMs unter konstantem Ethanolfluss (ohne NaAc). Inset: Ausschnitt aus der Photokinetik (schneller Teil).

Um zu überprüfen, ob sich der Anteil der schnellen Photokinetik noch weiter vergrößern lässt, wurde die Konzentration an Natriumacetat erhöht. In einer zu der zuletzt beschriebenen analo-gen Messung wurde der gebildete I-NPPOC-T-SH-SAM unter konstantem Fluss einer 10^-3 M ethanolischen Natriumacetat-Lösung intervallweise mit UV-Licht bestrahlt (siehe Abbildung

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 8

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5

4.42 a). Nach 1 h Bestrahlung ist das Signal um 4.4 mV verringert, was in diesem Fall etwa 45 % des adsorbierten SAMs entspricht (siehe Tabelle 5). Damit wurde der Anteil, der insge-samt von der Monoschicht entfernt wurde, im Vergleich zu den vorangegangenen Messungen etwas erhöht. Die Mittelwerte der SPR-Signale aus den Dunkelphasen liefern zusammen mit den Bestrahlungszeiten wiederum eine zweiphasige Photokinetik (siehe Abbildung 4.42 b, kschnell = 0.144 s^-1, klangsam = 0.002 s^-1).

Es zeigte sich, dass bei der höheren Konzentration von Natriumacetat das Verhältnis vom schnellen zum langsamen Teil etwa 2/3 zu 1/3 beträgt und damit weiterhin vergrößert werden konnte. Der langsame Teil der Kurve ist im Vergleich zur Messung in 10^-4 M ethanolischer Natriumacetat-Lösung nicht nur schwächer ausgeprägt sondern auch deutlich flacher. Nach den letzten langen Bestrahlungsintervallen werden nahezu konstante Signalwerte erreicht, was auf ein Ende der Photoreaktion und damit eine vollständige Entschützung der Oberfläche hin-deutet.

Abbildung 4.42: a) Adsorption von I-NPPOC-T-SH an Gold und analoge Bestrahlung für unterschiedliche In-tervalle wie in der Messung in Abbildung 4.40 mit UV-Licht von 365 nm unter konstantem Fluss von 10^-3 M NaAc in Ethanol von 0.5 ml/min. b) entsprechende Photokinetik. Inset: Ausschnitt aus der Photokinetik.

Eine weitere Steigerung der Natriumacetat-Konzentration auf 10^-2 M in Ethanol änderte nichts mehr am Verhältnis der zweiphasigen Photokinetik (siehe Abbildung 4.43). In diesem Fall wurden auch etwa 2/3 für den schnellen (k = 0.163 s^-1) und 1/3 für den langsamen Teil (k = 0.001 s^-1) der Photokinetik erreicht.

Jedoch wurde bei Verwendung einer 10^-2 M ethanolischen NaAc-Lösung nach 1 h Bestrah-lung ein wesentlich größerer Teil des adsorbierten SAMs (etwa 70 %) entfernt. Das lässt da-rauf schließen, dass außer den Schutzgruppen auch Teile des restlichen Moleküls von der Mo-noschicht abgespalten wurden. Unter stark basischen Bedingungen könnten die Estergruppen,

-2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Zeit [s]

 Reflektivität [mV]

a b

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5

über die der Thiollinker an Thymidin befestigt wurde, verseift werden und damit würde auch Thymidin von der Oberfläche entfernt. Dies könnte die starke Reduktion der Monoschicht er-klären. Die C-N-Bindung in Thymidin sollte aber nicht betroffen sein, da diese nur säurelabil ist.

Zum Vergleich wurde ein SAM einer nicht-photolabilen Verbindung (DMT-T-SH) intervall-weise mit UV-Licht von 365 nm unter gleichen Bedingungen (in 10^-2 M ethanolischer Natri-umacetat-Lösung) bestrahlt. Dies sollte zu keiner photoinduzierten Signaländerung führen. Je-doch konnte nach einstündiger Bestrahlung des SAMs ein Signalabfall von etwa 17% des ur-sprünglich adsorbierten SAMs gemessen werden, was ein Indiz für die Annahme der Ester-spaltung des Thiollinkers unter stark basischen Bedingungen darstellen könnte.

Abbildung 4.43: a) Adsorption von I-NPPOC-T-SH an Gold und analoge Bestrahlung für unterschiedliche In-tervalle wie in der Messung in Abbildung 4.40 mit UV-Licht von 365 nm unter konstantem Fluss von 10^-2 M NaAc in Ethanol von 0.5 ml/min. b) entsprechende Photokinetik. Inset: Ausschnitt aus der Photokinetik.

Eine weitere Erhöhung der Natriumacetat-Konzentration auf 10^-1 M in Ethanol führte nach einstündiger Bestrahlung der Oberfläche mit UV-Licht aber nicht zur kompletten Entfernung der I-NPPOC-T-SH-Monoschicht (siehe Abbildung 4.44).

Es wurden ähnliche Ergebnisse wie in der Messung mit 10^-2 M ethanolischer NaAc-Lösung erhalten, wobei der schnelle Teil (k = 0.126 s^-1) der Photokinetik noch weiter vergrößert und der langsame Teil (k = 0.001 s^-1) der Kurve noch flacher wurde (siehe Tabelle 5).

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Zugabe von Natriumacetat während der Be-strahlung der I-NPPOC-T-SH-SAMs mit UV-Licht den schnellen Teil der zweiphasigen Pho-tokinetik erweitern konnte, aber nicht zur völligen Unterdrückung des langsamen Teils führte.

Mit zunehmender Konzentration an Natriumacetat wurde der Anteil des schnellen Teils er-höht und der langsame Teil der Kurve verringert und deutlich flacher (siehe Abbildung 4.45).

-2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Zeit [s]

 Reflektivität [mV]

b a

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 2

Bei den höchsten Konzentrationen an Natriumacetat (10^-1 M und 10^-2 M) in Ethanol wurden bereits nach 60 s Bestrahlung mit UV-Licht etwa 45 % des ursprünglich adsorbierten SAMs entfernt, was zeigt, dass die Geschwindigkeit der Photoreaktion wesentlich gesteigert werden konnte. Tabelle 5 und Abbildung 4.45 geben einen quantitativen Überblick über die Ergeb-nisse.

Abbildung 4.44: a) Adsorption von I-NPPOC-T-SH an Gold und analoge Bestrahlung für unterschiedliche In-tervalle wie in der Messung in Abbildung 4.40 mit UV-Licht von 365 nm unter konstantem Fluss von 10^-1 M NaAc in Ethanol von 0.5 ml/min. b) entsprechende Photokinetik. Inset: Ausschnitt aus der Photokinetik.

NaAc

Tabelle 5: Vergleich der verschiedenen Messungen mit Natriumacetat mit einer Messung in Ethanol.

Eine längere Bestrahlungszeit mit UV-Licht unter diesen stark basischen Bedingungen führt vermutlich zur Verseifung der Estergruppen des Thiollinkers und damit zur teilweisen Ab-spaltung von Thymidin. Für Langzeitbestrahlungen sollte man daher geringe Konzentrationen

-2

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Zeit [s]

 Reflektivität [mV]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 7

an Natriumacetat verwenden, wenn man die Photoreaktion zur Abspaltung der Schutzgruppen verbessern möchte.

Abbildung 4.45: a) Vergleich der Photokinetiken bezogen auf den ursprünglich adsorbierten SAM, 1 = 100%

SAM, 0 = 0% SAM. b) Vergleich der Photokinetiken bezogen auf R (gesamt), 1 = keine Signaländerung, 0 = R nach 1 h UV-Bestrahlung.