Reactive fluorescent dye systems for single-molecule studies

Abstract

Single-molecule spectroscopy is a well established method in physics and life sciences. Appliances on mechanistic problems in chemistry are rare, which can be traced back to the lack of suitable fluorophores. Therefore the development of a reactive system for future imaging of chemical reactions on a single-molecule level had top priority in this work. Dye systems based on the BODIPY fluorophore were prepared. For the first time, the synthesis of the core compound of this dye family is presented here. Methylated derivatives of this core compound have been characterized concerning their photostability and were categorized as superior to fluorescein. Elementary photophysical processes have been examined for their suitability as read-out mechanism for the project aim. Here a substrate for phosphorester cleavage has been developed where the reaction could be detected by a change of fluorescence lifetime. Another read-out mechanism was based on the change of fluorescence colour by chemical reactions. Appropriate substrates for oxidation reactions and metathesis reactions could be developed. The systems are promising candidates for the projected pursuit of individual reaction processes by ultrasensitive fluorescence spectroscopy.

Die Einzelmolekülspektroskopie ist eine in der Physik und den Lebenswissenschaften etablierte Methode. Anwendungen auf mechanistische Fragestellungen in der Chemie sind selten, was auf das Fehlen geeigneter Fluorophore zurückzuführen ist. Deshalb stand in dieser Arbeit die Entwicklung eines reaktiven Systems zur späteren Visualisierung von chemischen Reaktionen auf dem Einzelmolekülniveau im Vordergrund. Es wurden Farbstoffsysteme auf der Basis der BODIPY Fluorophore dargestellt. Erstmalig wird hier die Synthese der Stammverbindung dieser Farbstofffamilie beschrieben. Methylierte Derivate der Stammverbindung wurden hinsichtlich ihrer Photostabilität charakterisiert und als überlegen gegenüber Fluorescein eingestuft. Photophysikalische Elementarprozesse wurden auf ihre Eignung als Auslesemechanismus für das Projektziel untersucht. Hier konnte ein Substrat für Phosphorsäureesterspaltungen entwickelt werden, bei dem die Reaktion durch eine Änderung der Fluoreszenzlebensdauer detektiert werden kann. Ein anderer Auslesemechanismus beruht auf dem Wechsel der Fluoreszenzfarbe durch chemische Reaktionen. Hier konnten entsprechende Substrate für Oxidationsreaktionen wie auch für Metathesereaktionen entwickelt werden. Diese Systeme stellen vielversprechende Kandidaten für die projektierte Verfolgung individueller Reaktionsabläufe durch ultrasensitive Fluoreszenzspektroskopie dar.