Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, wie die Einkapselung organischer Farbstoffmoleküle in Bornitridnanoröhren (BNNTs) die photophysikalischen Eigenschaften der Fluorophore beeinflusst. Als Farbstoffe wurden hierbei alpha-Quaterthiophen (4T), alpha-Sexithiophen (6T), alpha-Octithiophen (8T) sowie Nilrot (NR) ausgewählt. Die eingesetzten BNNTs besitzen einen nominellen Durchmesser von \(5 \pm 2\)nm.
Für die Charakterisierung der reinen Farbstoffe und der hybriden Systeme aus Farbstoff und Nanoröhre kam ein Laboraufbau zum Einsatz, der neben Absorptions- und Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie auch PL-Mikroskopie ermöglicht. Zusätzlich lässt sich damit auch eine zeitaufgelöste Untersuchung der PL (engl. time correlated single photon counting, TCSPC) im Ensemble und an einzelnen, separierten Nano-Objekten (mit Farbstoff gefüllte BNNTs) umsetzen.
In Kapitel 5 wurden zunächst die freien Farbstoffe in Lösung charakterisiert. Es hat sich gezeigt, dass sowohl 4T als auch NR im verwendeten Lösemittel Dimethylformamid (DMF) löslich sind, wohingegen 6T und 8T hier eine geringere Löslichkeit zeigen. Die unterschiedlichen Verläufe der konzentrationsabhängigen PL-Spektren für 4T und 6T in DMF lassen sich vermutlich auf diesen Löslichkeitsunterschied zurückführen. Zudem wurden Extinktionskoeffizienten für 4T und NR mittels konzentrationsabhängiger Absorptionsspektren bestimmt und es zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit der Literatur. Für 6T und 8T war eine Bestimmung aufgrund der geringen Löslichkeit nicht möglich, weshalb auf Literaturwerte zurückgegriffen wurde oder diese extrapoliert wurden (8T).
In Kapitel 6 erfolgte die detaillierte Charakterisierung der mit Oligothiophenen gefüllten BNNTs. Die Befüllung wurde dabei im Wesentlichen nach einem von C. Allard publizierten Verfahren durchgeführt und auf die zusätzlichen Fluorophore 4T, 8T und NR übertragen. Für Messungen mittels UV-Vis-Spektroskopie in Lösung bzw. Dispersion hat sich beim Farbstoff 6T gezeigt, dass sich das Absorptionsmaximum von 407nm (freies 6T) hin zu 506nm (6T@BNNT) verschiebt. Ursache hierfür ist vermutlich die Bildung von J-Aggregaten im Inneren der Röhren. Die entsprechenden PL-Spektren von freiem 6T und dem Hybridsystem zeigen dabei keine signifikanten Unterschiede. Für konzentrationsabhängige PL-Spektren von 6T@BNNT ergibt sich (anders als bei freiem 6T in DMF) keine Änderung des Verlaufs der Kurven, was als ein Indiz für eine erfolgreiche Einkapselung gedeutet werden kann.
Durch Kombination von Rasterkraft- und PL-Mikroskopie konnten die Außendurchmesser von einzelnen 6T@BNNT Objekten ermittelt und in direkten Zusammenhang mit deren photophysikalischen Eigenschaften gebracht werden. Bei einer Analyse der Polarisation des Emissionslichtes von 6T@BNNT in Abhängigkeit des Außendurchmessers ließ sich jedoch keine klare Korrelation zwischen Struktur und Emissionscharakteristiken erkennen. Diese Beobachtung lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie lediglich der Außendurchmesser der (teils mehrwandigen) BNNTs bestimmt werden kann. Die entscheidende Größe an dieser Stelle ist allerdings der innere Durchmesser der BNNTs, welcher die Ausrichtung und damit auch die Polarisation der Farbstoffmoleküle beeinflusst.
Ein Vergleich des mittleren maximalen Polarisationsgrades der jeweiligen Hybridsysteme hat gezeigt, dass 4T@BNNT den geringsten und 6T@BNNT mit den höchsten Wert aufweist. Dies bestätigt die Annahme, dass mit zunehmender Moleküllänge die Polarisation, aufgrund des höheren Templat-Effektes der Röhre, zunimmt. 8T@BNNT liegt zwischen den beiden anderen Werten, was dieser Annahme widerspricht. Der mittlere Verkippungswinkel der eingekapselten Farbstoffmoleküle gegenüber der Röhrenachse liegt für 4T@BNNT bei etwa 16° und ist damit etwas größer als derjenige von 6T@BNNT. Somit zeigt sich auch hier, dass kürzere Moleküle mehr sterische Freiheitsgerade im Innern der Röhren besitzen. Für 8T@BNNT liegt der Winkel bei ca. 28° und widerspricht abermals der Annahme.
TCSPC-Messungen an freien Oligothiophen-Farbstoffen sowie an den hybriden Systemen zeigten, dass die Fluoreszenzlebensdauer \(\tau\) für 4T und 6T (jeweils in DMF) infolge der Einkapselung deutlich zunimmt wenn die Hybridsysteme ebenfalls in DMF dispergiert sind. Die ermittelten Werte für \(\tau\) der separierten Nanoobjekte lagen für 4T@BNNT und 6T@BNNT unterhalb der entsprechenden in DMF. Für 8T bzw. 8T@BNNT ergab sich eine deutlich kürzerer Lebensdauer der separierten Nanoobjekte im Vergleich zum freien Farbstoff in kolloidaler Suspension. Ein erster Ansatz, um den zugrundeliegende Mechanismus aufzuklären, bestand darin, die TCSPC-Spektren (für 6T in DMF und 6T@BNNT in DMF) hinsichtlich der einzelnen Zerfallskanäle zu analysieren. Die erhaltenen Ergebnisse deuteten darauf hin, dass bei freiem 6T in DMF andere Zerfallskanäle dominieren als beim Hybridsystem 6T@BNNT (in DMF). Eine Korrelation der Fluorezenslebensdauer von 6T@BNNT vom äußeren Durchmesser der Nanoröhren zeigte keinen eindeutigen Zusammenhang.
Die Charakterisierung von Nilrot bzw. NR@BNNT (analog zu den Oligothiophenen) erfolgte in Kapitel 4. Auch hier zeigte sich eine Verschiebung des PL-Spektrums des Fluorophores durch die Einkapselung in die BNNTs. Allerdings ist das PL-Spektrum des Hybridsystems (NR@BNNT) um etwa 20nm hypsochrom verschoben. Nilrot ist in der Literatur zudem als Nanosonde zur Ermittlung der Permittivität des Lösemittels bzw. der Umgebung bekannt. Dies erlaubte eine Abschätzung der relativen Permittivät im Inneren der BNNTs. Der ermittelte Wert von ca. 4 für ein isoliertes NR@BNNT Objekt deutet auf eine relativ unpolare Umgebung im Röhreninneren hin. Zum Vergleich dazu, liegt der Wert von freiem NR in DMF bei 47, was die relativ hohe Polarität von DMF bestätigt. Der ermittelte Wert für die mittlere maximale Polarisation lag leicht über dem der hybriden Systeme aus Oligothiophenen und Nanoröhren. Für die Auslenkung der NR-Moleküle gegenüber der Röhrenachse ergab sich ein Winkel von etwa 16°, was im Bereich der Werte von 4T@BNNT und 6T@BNNT liegt. Die Messung der zeitaufgelösten Fluoreszenz von freiem und eingekapseltem Nilrot hat ergeben, dass auch in diesem Fall eine Verkürzung der Lebensdauer (von 4091 ps auf 812 ps) erfolgte. Eine solche Verkürzung der Lebensdauer von Chromophoren wird in der Literatur unter anderem mit der Bildung von J-Aggregaten in Zusammenhang gebracht. / This dissertation investigated how the encapsulation of organic dye molecules in boron nitride nanotubes (BNNTs) influences the photophysical properties of the fluorophores. The dyes chosen were alpha-quaterthiophene (4T), alpha-sexithiophene (6T), alpha-octithiophene (8T) and Nile red (NR). The BNNTs used have a nominal diameter of \(5 \pm 2\)nm.
To characterize the pure dyes and the hybrid systems consisting of dye and nanotube, a laboratory setup was used that enables PL microscopy in addition to absorption and photoluminescence (PL) spectroscopy. In addition, a time-resolved study of PL (time correlated single photon counting, TCSPC) can be implemented in the ensemble and on individual, separated nano-objects (BNNTs filled with dye).
In Chapter 5, the free dyes in solution were first characterized. It has been shown that both 4T and NR are soluble in the solvent used, dimethylformamide (DMF), whereas 6T and 8T show lower solubility. The different profiles of the concentration-dependent PL spectra for 4T and 6T in DMF can probably be attributed to this difference in solubility. In addition, extinction coefficients for 4T and NR were determined using concentration-dependent absorption spectra and there was good agreement with the literature. For 6T and 8T, a determination was not possible due to the low solubility, which is why literature values were used or extrapolated (8T).
Chapter 6 detailed the characterization of the BNNTs filled with oligothiophenes. The filling was essentially carried out according to a method published by C. Allard and transferred to the additional fluorophores 4T, 8T and NR. For measurements using UV-Vis spectroscopy in solution or dispersion, it has been shown that the absorption maximum for the dye 6T shifts from 407nm (free 6T) to 506nm (6T@BNNT). The reason for this is probably the formation of J-aggregates inside the tubes. The corresponding PL spectra of free 6T and the hybrid system show no significant differences. For concentration-dependent PL spectra of 6T@BNNT (unlike free 6T in DMF), there is no change in the shape of the curves, which can be interpreted as an indication of successful encapsulation. By combining atomic force and PL microscopy, the outer diameters of individual 6T@BNNT objects could be determined and directly related to their photophysical properties. However, when analyzing the polarization of the emission light from 6T@BNNT depending on the outer diameter, no clear correlation between structure and emission characteristics could be seen. This observation can probably be explained by the fact that only the outer diameter of the (some multi-walled) BNNTs can be determined using atomic force microscopy. The crucial size at this point, however, is the inner diameter of the BNNTs, which influences the alignment and thus also the polarization of the dye molecules.
A comparison of the average maximum degree of polarization of the respective hybrid systems showed that 4T@BNNT has the lowest value and 6T@BNNT has the highest value. This confirms the assumption that as the molecule length increases, the polarization increases due to the higher template effect of the tube. 8T@BNNT lies between the other two values, which contradicts this assumption. The average tilt angle of the encapsulated dye molecules relative to the tube axis is about 16° for 4T@BNNT and is therefore slightly larger than that of 6T@BNNT. This also shows that shorter molecules have more steric freedom inside the tubes. For 8T@BNNT the angle is approximately 28° and again contradicts the assumption. TCSPC measurements on free oligothiophene dyes and on the hybrid systems showed that the fluorescence lifetime \(\tau\) for 4T and 6T (each in DMF) increases significantly as a result of encapsulation when the hybrid systems are also dispersed in DMF. The determined values for \(\tau\) of the separated nanoobjects for 4T@BNNT and 6T@BNNT were below the corresponding ones in DMF. For 8T or 8T@BNNT, the lifespan of the separated nanoobjects was significantly shorter compared to the free dye in colloidal suspension. A first approach to elucidate the underlying mechanism was to analyze the TCSPC spectra (for 6T in DMF and 6T@BNNT in DMF) with respect to the individual decay channels. The results obtained indicated that different decay channels dominate for free 6T in DMF than for the hybrid system 6T@BNNT (in DMF). Correlating the fluorescence lifetime of 6T@BNNT with the outer diameter of the nanotubes showed no clear relationship.
The characterization of Nile red or NR@BNNT (analogous to the oligothiophenes) took place in Chapter 4. Here, too, there was a shift in the PL spectrum of the fluorophore due to the encapsulation in the BNNTs. However, the PL spectrum of the hybrid system (NR@BNNT) is hypsochromically shifted by about 20 nm. Nile red is also known in the literature as a nanoprobe for determining the permittivity of the solvent or the environment. This allowed an estimation of the relative permittivity inside the BNNTs. The determined value of approx. 4 for an isolated NR@BNNT object indicates a relatively non-polar environment inside the tube. For comparison, the value of free NR in DMF is 47, confirming the relatively high polarity of DMF. The value determined for the average maximum polarization was slightly higher than that of the hybrid systems made of oligothiophenes and nanotubes. The deflection of the NR molecules relative to the tube axis resulted in an angle of approximately 16°, which is in the range of the values for 4T@BNNT and 6T@BNNT. The measurement of the time-resolved fluorescence of free and encapsulated Nile Red showed that in this case too there was a shortening of the lifespan (from 4091 ps to 812 ps). In the literature, such a shortening of the lifespan of chromophores is associated, among other things, with the formation of J-aggregates.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:37115 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Fuhl, Lucas |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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