In part A, the effect of varying short-chain alkyl substitution on the spectroscopic properties of cyanine dyes was examined. Molar absorptivities and quantum yields were determined for groups of pentamethine and heptamethine dyes for which the substitution of the indole nitrogen was varied. For both sets of dyes, increasing alkyl chain length did not significantly change quantum yield or molar absorptivity. These results may be useful in designing new cyanine dyes. In part B, the effect of structure on the suitability of 2,4,6-trisubstituted pyridines as color pH indicators was studied by determining spectral effects of protonation, molar absorptivities, pKa values, and the structural origin of the spectral behavior. Good color indicating properties result from aniline substitution at the 4 position of pyridine and electron donating substitution at the 2 and 6 positions of pyridine, which provide a strong red shift in the spectra and greater red shifted peak absorptivity, respectively.

Small molecules interacting with DNA is an emerging theme in scientific research due to its specificity and minimal side-effect. Moreover, a large amount of research has been done on finding compounds that can stabilize G-quadruplex DNA, a non-canonical secondary DNA structure, to inhibit cancerous cell proliferation. G-quadruplex DNA is found in the guanine-rich region of the chromosome that has an important role in protecting chromosomes from unwinding, participate in gene expression, contribute in the control replication of cells and more. In this research, rationally designed, synthetic cyanine dye derivatives, which were tested under physiologically relevant conditions, were found to selectively bind to G-quadruplex over duplex DNA and are favored to one structure over another. The interactions were observed using UV-Vis thermal melting, fluorescence titration, circular dichroism titration, and surface plasmon resonance analysis. For fluorescence and selectivity properties, cyanine dyes, therefore, have the potential to become the detections and/or therapeutic drugs to target cancers and many other fatal diseases.

O câncer é uma patologia responsável por um grande número de óbitos. Os tratamentos convencionais, quimioterapia e radioterapia, nem sempre são eficientes e, além disso, os efeitos colaterais são intrínsecos às terapias. A partir da década de 70 surgiu uma nova forma de terapia chamada de “terapia fotodinâmica” (“Photodynamic Therapy”, PDT) que apresenta poucos efeitos colaterais quando comparada com as terapias convencionais. O princípio da PDT é introduzir no organismo um composto fotoativo e irradiar com luz visível o local a ser tratado, obtendo assim a forma ativa do composto que induz a morte das células cancerígenas. Os compostos atualmente usados em PDT possuem algumas desvantagens na sua aplicação que estimula a busca de outros compostos mais satisfatórios. Neste projeto foram estudados corantes ciânicos com dois cromóforos (BCD) que possuem boas vantagem para uso em PDT. O trabalho foi focado no estudo das características espectrais e energéticas dos BCD na interação com DNA, e o efeito da força iônica nessa interação para sugerir seu uso em fotoquimioterapia, principalmente em PDT. Foram estudados quatro BCD que se diferenciam pelo ângulo entre os cromóforos. As análises experimentais foram feitas através de métodos espectroscópicos de absorção ótica, fluorescência e dicroísmo circular, e as teóricas através de programas computacionais comerciais e um programa desenvolvido neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que os BCD possuem alta afinidade com as moléculas de DNA, formando diferentes espécies que afetam nas características dos seus estados excitados. A presença de outros íons influencia as características dos corantes e a sua interação com DNA. Pelos resultados obtidos podemos considerar que os BCD apresentam boas características para aplicação em PDT e que estes resultados dão suporte para estudos futuros da interação destes corantes com sistemas naturais (células) e para fazer testes clínicos em animais. / Cancer is a pathology responsible for a great number of deaths. The conventional methods of treatment, chemotherapy and radiotherapy, are not always efficient, and multiple side effects are intrinsic for these therapies. In early 70’s appeared a new method called “Photodynamic Therapy” (PDT), that shows few side effects as compared with conventional therapies. The main idea of PDT is to introduce a fotoactive compound into the organism and then irradiate with visible light the site to be treated, producing the active form of the compound that induces the death of cancers cells. The compounds used for this purpose have some disadvantages in their application, which stimulates the search for best compounds. In this work were studied several cyanine dyes with two interacting chromophores (BCD), which seem advantageous for use in PDT. The aim is to study spectral and energetic features of BCD in the presence of DNA, and at various ionic strengths, to suggest their use in cancer photochemotherapy. Four BCD studied in this work were characterized by different angles between chromophores. The experimental analysis was made using various spectroscopic methods such as optical absorption, fluorescence and circular dichroism, and the theoretical treatment was based on computational programs both conventional and created in this work. The results show that BCD has high affinity with DNA molecules, forming various species thus changing the BCD excited state features. The presence of ions modifies the characteristics of dyes and their interaction with DNA. Analyzing the results we can conclude that the characteristics of BCD are promising for their application in PDT, and this makes reasonable future studies of the interaction of these dyes with natural systems such as cells culture and tumors in laboratory animals.

A terapia fotodinâmica (PDT) consiste em introduzir no organismo um composto fotoativo (fotossensibilizador) e irradiar o local a ser tratado com a luz visível. Este procedimento permite obter a(s) forma(s) ativa(s) do composto que tem a capacidade de matar células neoplásicas, bem como fungos e bactérias. Algumas desvantagens dos fotossensibilizadores atualmente aplicados na clínica estimulam a busca de novos compostos mais adequados. Os corantes ciânicos com dois cromóforos (BCD) possuem características espectrais promissoras para aplicação em PDT. Isso estimulou a realização deste trabalho que teve como finalidade estudar as características espectrais, energéticas e de fotodecomposição dos BCD: (i) em diferentes solventes (escolhidos pela constante dielétrica $\\xi$ e capacidade de formar ligação hidrogênio), (ii) na interação com micelas, e (iii) na interação com DNA. Foram estudados $4$ isômeros de corantes ciânicos com dois cromóforos (BCD) com estrutras iguais. Estes isômeros diferem pela estrutura da parte central da molécula. Foram utilizados métodos espectroscópicos estáticos e com resolução temporal tais como absorção ótica, flash-fotólise, fluorescência, anisotropia, dicroísmo circular e calorimetria fotoacústica. Os resultados experimentais foram analisados em comparação com resultados obtidos do cálculo computacional em que foi feita a otimização geométrica das moléculas, análise de orbitais eletrônicos, dos níveis de energia e das probabilidades de transição entre estes. A partir destes dados foram construídos os espectros de absorção S-S dos corantes. Os cálculos confirmaram que a probabilidade de transição entre os níveis de energia dos BCD depende do ângulo entre os cromóforos que é determinado pela estrutura da parte central da molécula. Para um ângulo de $180^{0}$ somente uma banda de absorção está presente no espectro e para o de $90^{0}$ aparecem duas bandas de intensidades iguais. Foi mostrado que no intervalo de temperaturas $<100^{0}$ as conformações dos cromóforos de BCD no estado fundamental são trans-trans, exceto para o BCD com ângulo de $120^{0}$ entre os cromóforos em que no intervalo $0^{0}$ a $100^{0}$ ocorre a mistura das conformações trans-trans e cis-trans. Os resultados experimentais mostraram que em solventes orgânicos os BCD não formam agregados. Como suas características espectroscópicas não seguem a equação de Lippert concluímos que sua solvatação está determinada tanto pelo mecanismo não específico como específico devido as ligações hidrogênio. Os tempos de vida ($\\tau_{S1},\\tau{}_{T1}$) e rendimentos quânticos ($\\phi_{S1},\\phi{}_{T1}$) dos estados excitados singleto e tripleto dos BCD diminuíram com o aumento da constante dielétrica $\\xi$ do solvente. Entretanto o aumento da viscosidade do solvente aumentou estes parâmetros. A presença de água nos solventes orgânicos promove a formação dos agregados de BCD. Os valores de $\\tau_{S1},\\tau\\,{}_{T1}$ e $\\phi_{S1},\\phi\\,{}_{T1}$ diminuíram, provavelmente, devido a dois efeitos: diminuição da microviscosidade ao redor da molécula de BCD e agregação do BCD estimulada pela presença da água. A interação dos BCD com micelas depende da carga dos tensoativos. Para uma carga negativa houve a presença de $3$ espécies do corante dependendo da concentração das micelas: os monômeros livres, os monômeros ligados à micela e os agregados ligados a micela. O tensoativo zwiteriônico gerou duas espécies: os monômeros livres e os monômeros ligados à micela. As constantes de ligação dos BCD com micelas de LPC são da ordem $10^{7}M^{-1}$. Não houve interação com os tensoativos positivos. A interação com DNA estimula a agregação de BCD. Na presença de DNA em solução existem três espécies de BCD: os monômeros livres e ligados com DNA e os agregados de BCD na superfície do DNA. O conteúdo relativo dessas espécies depende da razão {[}BCD]/{[}DNA]. As constantes de ligação dos monômeros de todos BCD com DNA foram da ordem de E7M^{-1}$. Os valores de tau_{S1},\\tau{}_{T1}$ e $\\phi_{S1},\\phi{}_{T1}$ aumentaram com a ligação dos BCD ao DNA, o que significa que a contribuição dos processos não radiativos diminuiu em comparação a água e aos solventes orgânicos. Os BCD sofrem fotodecomposição e esta depende da presença de oxigênio. Na fotodecomposição do BCD ocorre destruição do sistema de conjugação-pi num dos cromóforos pela ligação do oxigênio singlete, formado devido a transferência de energia do estado tripleto do próprio BCD para oxigênio molecular. Os resultados obtidos (alta afinidade com sistemas biológicos e modelos, altos rendimentos quânticos do estado tripleto na interação com estes sistemas, formação de oxigênio singleto) mostram que os BCD apresentam características vantajosas para suas aplicações como fotossensibilizadores em PDT, motivo pelo qual o estudo da sua fototoxicidade e testes in vivo deve prosseguir. / Photodynamic therapy (PDT) consists in the administration of photoactive compounds (photosensitizers) in an organism with subsequent application of visible light to the area to be treated. This procedure leads to the activation of the compound which kills neoplasic cells, as well as fungus and bacteria. The photosensitizers used nowadays show some disadvantages, thus motivating the search for more effective compounds. Bichromophoric cyanine dyes (BCD) exhibit good spectral characteristics to be used in PDT, encouraging the development of this study. This work aimed at studying spectral, energetic and photodecomposition characteristics of BCD: (i) in different solvents (choosen accordingly to their dieletric constant $\\xi$ and the capacity to form hydrogen bonds), (ii) at their interaction with micelles and (iii) at their interactions with DNA. Four BCD isomers with equal chromophores and different structure of the central part of the molecule were studied. Static and time resolved spectroscopic methods such as optical absorption, fluorescence, anisotropy, circular dicroism and photoacustic calorimetry were used. Experimental results were compared with computational ones, based on geometry optimization and analysis of electronic orbital densities, energy levels and transition probabilities. This data allowed to create the BCD singlet absorption spectrum. The computer modelling confirmed that the transition probabilities depended on the angle between chromophores determined by the central structure. The $180^{0}$ BCD showed a single absorption band, while the $90^{0}$ BCD showed two bands of equal intensities. It was demonstrated that at $<100^{0}C$ BCD chromophores are present in the trans-trans form, except for the BCD with $120^{0}$ where the mixture of trans-trans and cis-trans forms was present in the $0^{0}-100^{0}C$ temperature interval. Experimental results have shown that BCD did not form aggregates in organic solvents. The BCD spectral characteristics did not followed the Lippert equation, which means that both non-specific and specific mechanisms, such as the hydrogen bond formation determined the BCD solvatation The life times ($\\tau_{S1},\\tau\\,{}_{T1}$) and quantum yields ($\\phi_{S1},\\phi\\,{}_{T1}$) of singlet and triplet excited states decreased with increase of the solvent dielectric constant $\\xi$. Though, the solvent viscosity increment caused the increase of these parameters. The addition of water to organic solvents led to BCD aggregation. The $\\tau_{S1},\\tau\\,{}_{T1}$ and $\\phi_{S1},\\phi\\,{}_{T1}$ values decreased, probably due to two effects: the decrease of microviscosity around the molecules and aggregation of BCD due to interaction with water. The interaction of BCD with micelles depended on the micelle electric charge. In the presence of negatively charged ones three species were produced in the solution: BCD free monomers, BCD aggregates bound to micelles and BCD monomers bound to micelles. Zwiterionic micelles produced two species: BCD free monomers and monomers bound to micelles. The binding constants with zwiterionic LPC micelles were $\\sim10^{6}M^{-1}$. Positively charged micelles did not interact with BCD. Interaction with DNA stimulated the BCD aggregation. Three species were produced in the solution: BCD free monomers and monomers bound to DNA and BCD aggregates bound to DNA. The relative content of these species depended on the {[}BCD]/{[}DNA] ratio. The BCD monomer to DNA binding constants were $\\sim10^{7}M^{-1}$. The $\\tau_{S1},\\tau{}_{T1}$ and $\\phi_{S1},\\phi{}_{T1}$ values increased with BCD binding to DNA, indicating that non radioactive processes decreased in comparison with pure water and homogeneous organic solvents. The BCD photodecomposition depended on the oxygen presence. This fotodecomposition occured when singlet oxygen (generated due to the energy transfer from the BCD molecule in its triplet state to molecular oxygen) interacted with one of the BCD chromophores destroying its $\\pi$-conjugation system. The obtained results (high affinity to biological and model systems, high triplet state quantum yields at interaction with these systems, singlet oxygen formation) showed that BCD possess promising characteristics for application as photosensitizers in PDT, encouraging future studies on their phototoxicity and \\textit{in vivo} tests.

A Terapia Fotodinâmica (TFD) é um método de tratamento em que um composto fotossensibilizador (FS) é introduzido no organismo do paciente e, posteriormente, a região de tratamento é irradiada com luz. A combinação de oxigênio, luz e FS produz espécies que geram um efeito curativo. Os FS utilizados atualmente, embora eficazes, apresentam desvantagens. Neste trabalho, foram estudados os corantes ciânicos com dois cromóforos ou biscianinas (BCD) que apresentam características favoráveis na aplicação como FS na TFD. O objetivo deste trabalho foi analisar os efeitos da concentração, da composição do ambiente e da própria estrutura de três BCDs, com ângulos entre os seus cromóforos de 180°, 150° e 90°, nas características das suas fototransformações em tampão e na interação com micelas de SDS e DNA. A fototransformação pode causar a perda da fotoatividade do FS e gerar fotoprodutos (FPs) que tanto podem ser tóxicos como fotoativos. Os processos de tratamento na TFD e os de fototransformação são paralelos. Isso permite utilizar o monitoramento do processo de fototransformação para determinar o grau do processo de tratamento em tempo real. Por esse motivo, também foi estudada a fototransformação dos FPs formados durante a irradiação. A análise da fototransformação foi realizada utilizando técnicas espectroscópicas de absorção óptica e de fluorescência estática. Mudanças nos espectros de absorção óptica dos corantes indicaram a formação de agregados. A agregação diminui a velocidade de fototransformação devido ao aumento da probabilidade de dissipação da energia de excitação por processos não radiativos. Não houve formação de agregados na irradiação dos FPs, pois estes possuem menor tendência de agregação em comparação com o próprio corante. Semelhanças nos espectros dos FPs dos três corantes indicaram que eles possuem a mesma estrutura do cromóforo. Na ausência do oxigênio a velocidade de fototransformação diminui. Este fato juntamente com a relação entre os tempos da fotólise e os rendimentos quânticos do estado tripleto dos BCDs sugeriram a participação do oxigênio singleto na fototransformação. Na presença de sistemas biomiméticos em altas concentrações, os corantes estão em suas formas monoméricas. Nestas interações, os corantes também sofreram fototransformação, com velocidades diferentes daquelas em tampão, com formação de fotoprodutos. Na fototransformação dos corantes na presença de micelas de SDS, sugerimos que as moléculas dos corantes ficam mais protegidas do contato do oxigênio. Por outro lado, na interação com o DNA, as moléculas dos corantes ligadas na superfície do DNA se tornam mais suscetíveis ao ataque do oxigênio, fazendo com que a fototransformação seja mais rápida. / Photodynamic therapy (PDT) is a treatment that a photosensitizer compound (PS) is inserted into the patient\'s body and, subsequently, the treatment area is irradiated with light. The combination of oxygen, light and FS produce species that generate a curative effect. The FS currently used, although can be effective, have disadvantages. In this study, the cyanine dyes with two chromophores (BCD) or biscyanines that have favorable characteristics in the application as FS in PDT were studied. The aim of this study was to analyze the effects of concentration, environmental composition and the structure of three BCDs, with angles between chromophores 180, 150 and 90 degrees, in the characteristics of phototransformation of the dyes molecules in phosphate buffer and in the interaction with SDS micelles and DNA. The phototransformation can cause the loss of the FS photoactivity and generate photoproducts (PPs) that are both toxic as photoactive. The treatment processes in PDT and phototransformation are parallel. It allows the use of phototransformation monitoring process to determine the degree of realtime treatment process. For this reason, it was also studied the phototransformation of PPs formed during irradiation. The phototransformation analysis was performed using optical absorption and fluorescence spectroscopies. Changes in the optical absorption spectra of the dyes indicated the formation of aggregates. The aggregation reduces phototransformation rate due to the increased probability of dissipation of the excitation energy by non-radiative processes. There was no aggregate formation on irradiation of PPs because they have less tendency to aggregate compared with the dye. Similarities in the spectra of the three PPs indicated that they have the same structure of the chromophore. In the absence of oxygen phototransformation rate decreases. This fact together with the relationship between photolysis time and the quantum yields of the triplet state of the BCDs suggested the involvement of singlet oxygen in their phototransformation. The dyes were in their monomeric form at high SDS and DNA concentrations. In these interactions, the dyes also were phototransformed, with different rates compared with phosphate buffer, with formation of photoproducts. In the phototransformation of dyes in the presence of SDS micelles, we suggest that the dye molecules were more protected from oxygen contact. On the other hand, in the interaction of dyes and DNA molecules, the dye molecules bound on DNA surface become more available to oxygen attack, and the phototransformation becomes faster.

Neste trabalho foram estudadas as interações entre os corantes ciânicos com dois cromóforos (BCD) e monocamadas de Langmuir de fosfolipídio (DPPC). Devido ao alto coeficiente de absorção molar da luz na região ? > 600 nm, ao alto rendimento quântico do estado tripleto, à alta fotocitotoxicidade e à alta afinidade com estruturas celulares os BCD são promissores para serem utilizados em terapia fotodinâmica. Os estudos das características da interação de BCD com a monocamada são importantes tanto para esclarecer os efeitos estruturais na interação de monocamadas com outras moléculas quanto para suas aplicações em terapia fotodinâmica e em outras áreas tecnológicas tais como nanoeletrônica, fotônica etc. As isotermas de pressão superficial (?-A) obtidas mostram que os BCD e as monocamadas interagem, pois as isotermas (?-A) se expandem conforme é aumentado à porcentagem de BCD. Esta interação é dependente tanto da estrutura do BCD quanto da força iônica da subfase. A partir das isotermas (?-A) foi obtido o módulo de compressibilidade (Cs-1 = -A (??/?A) das monocamadas, do qual foram analisadas, de maneira mais detalhada, as modificações da monocamada de DPPC devido à presença dos BCD. Estas modificações compreendem o aparecimento da fase líquida expandida (LE) e formação dos domínios antecipada em comparação com a monocamada de DPPC puro. Foi observado que a área mínima por molécula e a elasticidade da monocamada na fase condensada (C) aumentam juntos com a porcentagem dos BCD. Na presença de BCD 180º as isotermas de potencial superficial (?V-A) sofrem uma expansão, no entanto, o valor máximo do potencial permanece nalterado. Isto indica que os BCD estimulam (antecipam) a orientação das moléculas de DPPC na interface ar-água e, consequentemente, a co-orientação das cabeças polares do DPPC, mas não contribuem no potencial superficial. Foi observado que a presença de NaCl na subfase aumenta o efeito dos BCD na formação da monocamada DPPC. Acreditamos que este efeito sinérgico é devido às interações mútuas dos ânions Cl- com a carga positiva do grupo trimetilamônio da cabeça polar do DPPC e das cargas positivas do BCD com a carga negativa do grupo fosfato do DPPC. As imagens obtidas pela microscopia de ângulo de Brewster mostram, em concordância com a análise das isotermas de pressão (?-A) e de potencial (?V- A), que a formação dos domínios, e conseqüentemente da monocamada, é antecipada na presença de BCD. Entretanto, a presença do BCD não altera o formato dos domínios, mas diminui seu tamanho. A análise realizada sobre os espectros de absorção óptica mostrou que os BCD podem formar agregados tipos H na monocamada e não foram observados agregados tipo J. Baseando-se na análise do efeito da estrutura dos BCD, na interação com a monocamada, e dos espectros de absorção propusemos dois modelos de interação dos BCD com a monocamada e acreditamos que o seguinte modelo é a melhor modelagem do sistema: - BCD se inseri na monocamada, paralelamente ao eixo da molécula de DPPC, interagindo tanto com a cauda hidrofóbica quanto com a cabeça polar. Entretanto, os resultados obtidos não permitem excluir completamente o segundo modelo proposto, no qual o BCD se localiza na parte polar da monocamada, perpendicular ao eixo da molécula de DPPC. / In this work the interaction of cyanine dyes with two chromophores with the DPPC phospholipid Langmuir monolayers was studied. Due to their high optical absorption in the region ? > 600 nm, high triplet state quantum yields, high photocytotoxicity and high affinity with cell structures the BCD are promising for application in photodynamic therapy. The study of the interaction of BCD with monolayers is important to clarify the structural effects on the monolayer interaction with other molecules as well as for application in photodynamic therapy and in other fields of technology, such as nanoelectronics, photonics, etc. The superficial pressure isotherms (?-A) demonstrate that BCD do interact with monolayers, the (?-A) isotherms being expanded when the BCD relative content increases. This interaction depends on the BCD structure and the subphase ionic strength, as well. The curves of the compressibility module (Cs-1 = -A (??/?A) of the monolayers were obtained from the (?-A) isotherms, which were used for detailed analysis of the DPPC monolayer formation in the BCD presence. The analysis demonstrated that the monolayer expanded liquid phase and the domain were formed earlier in the BCD presence than for pure DPPC. It was observed that both the minimum area per molecule and the condensed phase elasticity increased when the BCD relative content increased. In the presence of BCD 1800 the superficial potential isotherms (?V-A) were expanded, but the maximum potential value was unchanged. This indicates that BCD stimulated the DPPC molecule orientation on the air-water interphase and, consequently, the co-orientation of the DPPC polar heads, but did not contribute itself in the surface potential. It was observed that NaCl in the subphase increased the BCD effects on the DPPC monolayer formation. We suppose that this synergetic effect is due to the mutual interaction of Cl- anions with positive charges of the trimethylammonium group of the DPPC polar head and that of positive BCD charges with its phosphate group negative charges. Images obtained with the Brewster microscopy confirmed that BCD stimulated the domain and, consequently, the monolayer formation in accordance with the (?-A) and (?V-A) analysis. At the same time the BCD did not change the domain geometry, but reduced their sizes. The analysis of the BCD optical absorption spectra demonstrate that the BCD molecules in the monolayer form H aggregates and no J aggregates were observed. Basing on the analysis of the BCD structure effects on the monolayer formation we can propose two models of the BCD - monolayer interaction and we believe that the follow model is better: - the BCD molecule is inserted in the monolayer interior being parallel with the DPPC molecule axis and interacting with both hydrophobic and polar DPPC parts; However, our data are not sufficient to exclude completely the possibility for the BCD molecule to be localized just in the polar head monolayer part being perpendicular to the DPPC molecule axis.

There is a high demand for quadruplex-specific compounds that not only bind preferentially to quadruplex DNA over duplex DNA, but also bind to one quadruplex motif over other motifs. Quadruplex structures are recognized as common occurrences in cancer cells, and if a compound could stabilize this structure, it may serve as an effective anti-cancer treatment with minimal side effects. In this study, cyanine dyes’ interactions with DNA were analyzed with fluorescence titrations, UV-Vis thermal studies, circular dichroism titrations, and surface plasmon resonance (SPR) analysis. With these techniques, binding affinity, DNA stabilization, and conformational shifts were analyzed to determine if cyanine dyes could act as quadruplex-specific binding compounds for possible cancer treatments.

The sensitivity of biological studies performed between 190 and 650 nm is greatly reduced due to the autofluorescence of biomolecules and impurities in this region. Therefore, the enhanced signal-to-noise ratios encountered at longer wavelengths makes biological analysis within the near infrared (NIR) region from 650 nm to 1100 nm far more advantageous. This dissertation describes the noncovalent binding interactions of near-infrared (NIR) carbocyanine dyes with human serum albumin (HSA) and poly-L-lysine (PLL) using UV-Vis/NIR absorption spectroscopy, emission spectroscopy, circular dichroism (CD), and fluorescence detected circular dichroism (FDCD). The optical spectroscopy methods used in this work are described in detail in Chapter 1. The various applications of NIR dyes in protein analysis are introduced in Chapter 2. In general, the sensitivity of cyanines to the polarity of their local environment makes them quite suitable for protein labeling schemes. In aqueous media, cyanines have a high propensity for self-association. Yet in the hydrophobic binding sites of globular proteins, these aggregates often dissipate. Absorption and emission spectroscopy can be utilized to observe the differential spectral properties of monomer, intra-molecular and intermolecular aggregates. In Chapter 3, the photophysical properties of bis(cyanine) NIR dyes containing di-, tri-, and tetraethylene glycol linkers were each examined in the presence of HSA are discussed. Variations in chain length as well as probe flexibility were demonstrated through distinct differences in absorption and emission spectra. The observed changes in the spectral properties of the NIR dyes in the presence and absence of HSA were correlated to the physical parameters of the probes' local environment (i.e., protein binding sites and self-association). All three bis-cyanines examined exhibited enhanced fluorescence in the presence of HSA. The bis-cyanine dye containing the tri(ethylene glycol) spacer allowed for a complete overlap of the benzene rings, to form π-π interactions which were observed as intra-molecular H-aggregate bands. The dye exhibited no fluorescence in buffer, owing to the H-aggregation observed in the absorption data. In the presence of HSA, the intra-molecular dimers were disrupted and fluorescence was then detected. The "cut-on" fluorescence displayed by the dye in the presence of HSA made it ideal for noncovalent labeling applications. The utility of several NIR dyes for use as secondary structural probes was investigated in Chapter 4. NIR dyes were screened thoroughly using UV-Vis/NIR absorption spectroscopy dyes with spectral properties which were sensitive to protein secondary structure models of such as PLL in basic solution. Two NIR dyes were found to be quite sensitive to the structural features of uncharged α- and β-PLL. The chiral discrimination of these probes for basic protein secondary structures was also evaluated through CD measurements within the NIR probes' absorption bands.

A Terapia Fotodinâmica (TFD) é um método de tratamento em que um composto fotossensibilizador (FS) é introduzido no organismo do paciente e, posteriormente, a região de tratamento é irradiada com luz. A combinação de oxigênio, luz e FS produz espécies que geram um efeito curativo. Os FS utilizados atualmente, embora eficazes, apresentam desvantagens. Neste trabalho, foram estudados os corantes ciânicos com dois cromóforos ou biscianinas (BCD) que apresentam características favoráveis na aplicação como FS na TFD. O objetivo deste trabalho foi analisar os efeitos da concentração, da composição do ambiente e da própria estrutura de três BCDs, com ângulos entre os seus cromóforos de 180°, 150° e 90°, nas características das suas fototransformações em tampão e na interação com micelas de SDS e DNA. A fototransformação pode causar a perda da fotoatividade do FS e gerar fotoprodutos (FPs) que tanto podem ser tóxicos como fotoativos. Os processos de tratamento na TFD e os de fototransformação são paralelos. Isso permite utilizar o monitoramento do processo de fototransformação para determinar o grau do processo de tratamento em tempo real. Por esse motivo, também foi estudada a fototransformação dos FPs formados durante a irradiação. A análise da fototransformação foi realizada utilizando técnicas espectroscópicas de absorção óptica e de fluorescência estática. Mudanças nos espectros de absorção óptica dos corantes indicaram a formação de agregados. A agregação diminui a velocidade de fototransformação devido ao aumento da probabilidade de dissipação da energia de excitação por processos não radiativos. Não houve formação de agregados na irradiação dos FPs, pois estes possuem menor tendência de agregação em comparação com o próprio corante. Semelhanças nos espectros dos FPs dos três corantes indicaram que eles possuem a mesma estrutura do cromóforo. Na ausência do oxigênio a velocidade de fototransformação diminui. Este fato juntamente com a relação entre os tempos da fotólise e os rendimentos quânticos do estado tripleto dos BCDs sugeriram a participação do oxigênio singleto na fototransformação. Na presença de sistemas biomiméticos em altas concentrações, os corantes estão em suas formas monoméricas. Nestas interações, os corantes também sofreram fototransformação, com velocidades diferentes daquelas em tampão, com formação de fotoprodutos. Na fototransformação dos corantes na presença de micelas de SDS, sugerimos que as moléculas dos corantes ficam mais protegidas do contato do oxigênio. Por outro lado, na interação com o DNA, as moléculas dos corantes ligadas na superfície do DNA se tornam mais suscetíveis ao ataque do oxigênio, fazendo com que a fototransformação seja mais rápida. / Photodynamic therapy (PDT) is a treatment that a photosensitizer compound (PS) is inserted into the patient\'s body and, subsequently, the treatment area is irradiated with light. The combination of oxygen, light and FS produce species that generate a curative effect. The FS currently used, although can be effective, have disadvantages. In this study, the cyanine dyes with two chromophores (BCD) or biscyanines that have favorable characteristics in the application as FS in PDT were studied. The aim of this study was to analyze the effects of concentration, environmental composition and the structure of three BCDs, with angles between chromophores 180, 150 and 90 degrees, in the characteristics of phototransformation of the dyes molecules in phosphate buffer and in the interaction with SDS micelles and DNA. The phototransformation can cause the loss of the FS photoactivity and generate photoproducts (PPs) that are both toxic as photoactive. The treatment processes in PDT and phototransformation are parallel. It allows the use of phototransformation monitoring process to determine the degree of realtime treatment process. For this reason, it was also studied the phototransformation of PPs formed during irradiation. The phototransformation analysis was performed using optical absorption and fluorescence spectroscopies. Changes in the optical absorption spectra of the dyes indicated the formation of aggregates. The aggregation reduces phototransformation rate due to the increased probability of dissipation of the excitation energy by non-radiative processes. There was no aggregate formation on irradiation of PPs because they have less tendency to aggregate compared with the dye. Similarities in the spectra of the three PPs indicated that they have the same structure of the chromophore. In the absence of oxygen phototransformation rate decreases. This fact together with the relationship between photolysis time and the quantum yields of the triplet state of the BCDs suggested the involvement of singlet oxygen in their phototransformation. The dyes were in their monomeric form at high SDS and DNA concentrations. In these interactions, the dyes also were phototransformed, with different rates compared with phosphate buffer, with formation of photoproducts. In the phototransformation of dyes in the presence of SDS micelles, we suggest that the dye molecules were more protected from oxygen contact. On the other hand, in the interaction of dyes and DNA molecules, the dye molecules bound on DNA surface become more available to oxygen attack, and the phototransformation becomes faster.

Neste trabalho foram estudadas as interações entre os corantes ciânicos com dois cromóforos (BCD) e monocamadas de Langmuir de fosfolipídio (DPPC). Devido ao alto coeficiente de absorção molar da luz na região ? > 600 nm, ao alto rendimento quântico do estado tripleto, à alta fotocitotoxicidade e à alta afinidade com estruturas celulares os BCD são promissores para serem utilizados em terapia fotodinâmica. Os estudos das características da interação de BCD com a monocamada são importantes tanto para esclarecer os efeitos estruturais na interação de monocamadas com outras moléculas quanto para suas aplicações em terapia fotodinâmica e em outras áreas tecnológicas tais como nanoeletrônica, fotônica etc. As isotermas de pressão superficial (?-A) obtidas mostram que os BCD e as monocamadas interagem, pois as isotermas (?-A) se expandem conforme é aumentado à porcentagem de BCD. Esta interação é dependente tanto da estrutura do BCD quanto da força iônica da subfase. A partir das isotermas (?-A) foi obtido o módulo de compressibilidade (Cs-1 = -A (??/?A) das monocamadas, do qual foram analisadas, de maneira mais detalhada, as modificações da monocamada de DPPC devido à presença dos BCD. Estas modificações compreendem o aparecimento da fase líquida expandida (LE) e formação dos domínios antecipada em comparação com a monocamada de DPPC puro. Foi observado que a área mínima por molécula e a elasticidade da monocamada na fase condensada (C) aumentam juntos com a porcentagem dos BCD. Na presença de BCD 180º as isotermas de potencial superficial (?V-A) sofrem uma expansão, no entanto, o valor máximo do potencial permanece nalterado. Isto indica que os BCD estimulam (antecipam) a orientação das moléculas de DPPC na interface ar-água e, consequentemente, a co-orientação das cabeças polares do DPPC, mas não contribuem no potencial superficial. Foi observado que a presença de NaCl na subfase aumenta o efeito dos BCD na formação da monocamada DPPC. Acreditamos que este efeito sinérgico é devido às interações mútuas dos ânions Cl- com a carga positiva do grupo trimetilamônio da cabeça polar do DPPC e das cargas positivas do BCD com a carga negativa do grupo fosfato do DPPC. As imagens obtidas pela microscopia de ângulo de Brewster mostram, em concordância com a análise das isotermas de pressão (?-A) e de potencial (?V- A), que a formação dos domínios, e conseqüentemente da monocamada, é antecipada na presença de BCD. Entretanto, a presença do BCD não altera o formato dos domínios, mas diminui seu tamanho. A análise realizada sobre os espectros de absorção óptica mostrou que os BCD podem formar agregados tipos H na monocamada e não foram observados agregados tipo J. Baseando-se na análise do efeito da estrutura dos BCD, na interação com a monocamada, e dos espectros de absorção propusemos dois modelos de interação dos BCD com a monocamada e acreditamos que o seguinte modelo é a melhor modelagem do sistema: - BCD se inseri na monocamada, paralelamente ao eixo da molécula de DPPC, interagindo tanto com a cauda hidrofóbica quanto com a cabeça polar. Entretanto, os resultados obtidos não permitem excluir completamente o segundo modelo proposto, no qual o BCD se localiza na parte polar da monocamada, perpendicular ao eixo da molécula de DPPC. / In this work the interaction of cyanine dyes with two chromophores with the DPPC phospholipid Langmuir monolayers was studied. Due to their high optical absorption in the region ? > 600 nm, high triplet state quantum yields, high photocytotoxicity and high affinity with cell structures the BCD are promising for application in photodynamic therapy. The study of the interaction of BCD with monolayers is important to clarify the structural effects on the monolayer interaction with other molecules as well as for application in photodynamic therapy and in other fields of technology, such as nanoelectronics, photonics, etc. The superficial pressure isotherms (?-A) demonstrate that BCD do interact with monolayers, the (?-A) isotherms being expanded when the BCD relative content increases. This interaction depends on the BCD structure and the subphase ionic strength, as well. The curves of the compressibility module (Cs-1 = -A (??/?A) of the monolayers were obtained from the (?-A) isotherms, which were used for detailed analysis of the DPPC monolayer formation in the BCD presence. The analysis demonstrated that the monolayer expanded liquid phase and the domain were formed earlier in the BCD presence than for pure DPPC. It was observed that both the minimum area per molecule and the condensed phase elasticity increased when the BCD relative content increased. In the presence of BCD 1800 the superficial potential isotherms (?V-A) were expanded, but the maximum potential value was unchanged. This indicates that BCD stimulated the DPPC molecule orientation on the air-water interphase and, consequently, the co-orientation of the DPPC polar heads, but did not contribute itself in the surface potential. It was observed that NaCl in the subphase increased the BCD effects on the DPPC monolayer formation. We suppose that this synergetic effect is due to the mutual interaction of Cl- anions with positive charges of the trimethylammonium group of the DPPC polar head and that of positive BCD charges with its phosphate group negative charges. Images obtained with the Brewster microscopy confirmed that BCD stimulated the domain and, consequently, the monolayer formation in accordance with the (?-A) and (?V-A) analysis. At the same time the BCD did not change the domain geometry, but reduced their sizes. The analysis of the BCD optical absorption spectra demonstrate that the BCD molecules in the monolayer form H aggregates and no J aggregates were observed. Basing on the analysis of the BCD structure effects on the monolayer formation we can propose two models of the BCD - monolayer interaction and we believe that the follow model is better: - the BCD molecule is inserted in the monolayer interior being parallel with the DPPC molecule axis and interacting with both hydrophobic and polar DPPC parts; However, our data are not sufficient to exclude completely the possibility for the BCD molecule to be localized just in the polar head monolayer part being perpendicular to the DPPC molecule axis.