Die Verbindung von hoch entwickelten Nanomaterialien mit fluoreszenzbasierten Technologien hat sich zu einem aufstrebenden Forschungsbereich entwickelt. Nichtsdestotrotz ist bis heute der Schritt von einem organischen Indikatormolekül zum anwendbaren Sensorsystem ein komplexer Prozess. Diese Arbeit zielte darauf ab, sensorische Materialien verschiedener chemischer Natur für diverse Analyten zu entwickeln, zu charakterisieren und zu etablieren. Hierbei wurden zunächst pH sensitive Fluoreszenzfarbstoffe entwickelt und in dünnen Membranen immobilisiert. Der Teststreifen ermöglicht die Beurteilung von pH-Änderungen mit dem Auge. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie diese Farbstoffe auch in eine wasserlösliche Form überführt werden können. Damit konnten lokale pH-Änderungen an der Wachstumsfront von Silikat-Biomorphs detektiert werden. Auch partikuläre Systeme stellten sich als geeignete Materialien heraus. Es konnte gezeigt werden, wie die Silikat-Matrix von Partikeln zu verbesserten Eigenschaften für Farbstoffe führt. Mittels farbstoffbeladener Partikel konnte in einem Lateral-Flow-Assay ein schneller Nachweis von TATP etabliert werden. Ein anderer Ansatz verfolgte das Ziel des sensitiven Nachweises von Quecksilberionen in Wasser. In einem anderen System konnten Silikat-Nanopartikeln so funktionalisiert werden, dass ein sensitiver und selektiver Nachweis von Schwermetallionen und Anionen über ein Quencher-Displacement-Assay gelang. Zusätzlich wurde die einzigartige Oberfläche von Zellulosepartikeln mithilfe eines neu entwickelten Fluoreszenzfarbstoffs untersucht. Die untersuchten Materialien und Strategien zeigen, wie leicht innovative Moleküle für potentielle sensorische Systeme im wässrigen Medium auf Basis von fluoreszierenden Partikeln und dünnen Schichten geschaffen werden können. Das Verhalten der hergestellten Materialien wurde über spektroskopische Methoden evaluiert und dabei, wenn möglich, die Parameter Sensitivität, Selektivität und Ansprechzeit beurteilt. / The combination of fluorescence and nanomaterials has developed into an emerging research area. Nonetheless until now the step from an organic sensory molecule to a final sensor format is a complex endeavor. This thesis aimed at the preparation of particulate and thin-film based platforms for various analytes through combining the features of an appropriate host material with outstanding properties of dyes concomitant with sensitive fluorescence detection techniques. In particular, pH sensitive fluorescent probes were sterically immobilized into a thin membrane. The dip-stick allows the assessment upon change in pH with the eye. Especially a probe working at high basic pH range was converted into a water-soluble analogue and was directly applied at the growth front of silica biomorphs to detect local pH changes. But also particulate structures are suitable host materials. It is shown how the silica matrix of nanoparticles lead to improved optical properties for embedded dyes. The interactions of silica and fluorescent dyes within the pores of mesoporous particles were exploited to develop an actual sensor format based detection of TATP. In another approach it was possible to detect mercury ions in water. Heavy metal ions were also successfully detected in a quencher displacement assay involving receptor-dye functionalized silica nanoparticles. The impact of the unique surface properties of cellulose microparticles was shown by a fluorescent dye which allows an assessment of the surface functional groups and microenvironment through the reactivity and its changes in the optical properties. The performance of the prepared materials were evaluated mostly by spectroscopic methods and if possible assessed in terms of sensitivity, selectivity and response time. The newly developed and investigated materials based on fluorescent particulate and thin-films show the facile application of innovative sensor probes for potentially sensing devices.

The homo and hetero dimerisation of two spectroscopically different chromophores were studied, namely: 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diazas-indacene (g-BODIPY) and its 5-styryl-derivative (r-BODIPY). Various spectroscopic properties of the r-BODIPY in different common solvents were determined. It was shown that g- and r-BODIPY in the ground state can form homo- as well as hetero dimers. We demonstrate that the ganglioside GM1 in lipid bilayers of 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) exhibits a non-uniform lateral distribution, which is an argument in favour of self-aggregation of GM1 being an intrinsic property of the GM1. This was concluded from energy transfer/migration studies of BODIPY-labelled gangliosides. An algorithm is presented that quantitatively accounts for donor–donor energy migration (DDEM) among fluorophore-labelled proteins forming regular non-covalent polymers. The DDEM algorithm is based on Monte Carlo (MC) and Brownian dynamics (BD) simulations and applies to the calculation of fluorescence depolarisation data, such as the fluorescence anisotropy. Thereby local orientations, as well as reorienting motions of the fluorescent groups are considered in the absence and presence of DDEM among them. A new method, in which a genetic algorithm (GA) was combined with BD and MC simulations, was developed to analyse fluorescence depolarisation data collected by the time-correlated single photon counting technique. It was applied to study g-BODIPY-labelled filamentous actin (F-actin). The technique registered the local order and reorienting motions of the fluorophores, which were covalently coupled to cysteine 374 (C374) in actin and interacted by means of electronic energy migration within the polymer. Analyses of F-actin samples composed of different fractions of labelled actin molecules revealed the known helical organiszation of F-actin, and demonstrated the usefulness of this technique for structure determination of complex protein polymers. The distance from the filament axis to the fluorophore was found to be considerably less than expected from the proposed position of C374 at a high filament radius. In addition, polymerisation experiments with BODIPY-actin suggest a 25-fold more efficient signal for filament formation than pyrene-actin.

Les travaux de cette thèse présentent la synthèse par une polymérisation RAFT en miniémulsion de nanoparticules fluorescentes (NPFs) polymères à coeur BODIPY copolymérisé au styrène et à couronne hydrophile biocompatible et fonctionnalisable à base de poly(oxyde d'éthylène) et de poly(acide acrylique). Les propriétés de fluorescence de ces NPFs ont été étudiées par spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps. L'élaboration de la synthèse de ce type de NPFs, et la mise au point d'un procédé "one-pot" sont présentés dans un premier temps. Ensuite, les propriétés spectroscopiques de ces NPFs sont étudiées, notamment l'influence de la concentration en monomères de BODIPY au coeur des NPFs pouvant mener à la formation d'agrégats peu ou pas fluorescents. Les propriétés spectroscopiques (longueur d'onde d'émission de fluorescence et rendement quantique) du coeur des NPFs ont été modulées. Cela est rendu possible en réalisant la synthèse de monomères de BODIPY portant des groupements aromatiques encombrés, ou présentant différentes fonctions polymérisables. La couronne hydrophile des NPFs a également été modifiée afin d'obtenir différentes répartitions des unités acide acrylique et oxyde d'éthylène dans les chaînes de copolymères en surface. Ces nouvelles NPFs sont également synthétisées par un procédé "one-pot". Enfin, des molécules à fonctions amine (fluorophores, protéines) ont été introduites dans la couronne hydrophile de ces diverses NPFs par une chimie de couplage peptidique sur les fonctions acides carboxyliques. Des nano-senseurs de pH ratiométriques ont ainsi pu être élaborés.