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Nature Publishing Group
Die Aussenhülle der Nanokapsel (A) besteht aus Perybisimid-Molekülen. Im Inneren (D) befinden sich Bispyren-Moleküle.
Copyright: Nature Publishing Group
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Bei Bestrahlung mit UV-Licht ist die unterschiedliche Fluoreszenz der Nanokapsel-Lösungen in Abhängigkeit vom pH-Wert erkennbar.
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Kleine Wunderkinder

Eine ganz besondere Struktur wurde an der Universität Würzburg entwickelt: Die dort synthetisierten Nanokapseln lassen sich nicht nur als Fluoreszenzsonden einsetzen, sondern stellen eventuell sogar einen ersten Schritt in Richtung "künstliche Photosynthese" dar.
20 bis 50 Nanometer beträgt der Durchmesser einer solchen Nanokapsel – das Zehntausendstel eines Stecknadelkopfes. Der Grundstoff sind so genannte amphiphile Perylenbisimide. Amphiphile Moleküle vermitteln die Lösung hydrophober Substanzen in Wasser und wirken deswegen als Emulgatoren und Detergentien. Gibt man die Perylenbisimide in Wasser, bilden sie automatisch Vesikel, die durch Photovernetzung mit Licht zu robusten Nanokapseln werden.

Diese Eigenschaft, die auch bei der Photosynthese der Pflanzen wichtig ist, hängt an den in die Nanokapseln eingebrachten Bispyrenmolekülen. Sie absorbieren Lichtenergie und geben einen Teil davon in Form von Fluoreszenzlicht wieder ab. Den anderen Teil aber übertragen sie mittels Energietransfer auf die Kapselmoleküle, die ebenfalls fluoreszieren. Damit können diese kleinen Gebilde etwas, was bisher von chemisch synthetisierten Molekülen nicht bekannt war. Vereinfacht gesagt geschieht bei der Photosynthese nichts anderes: Bestimmte Teilchen fangen die Energie des Sonnenlichts ein und übertragen sie auf andere Moleküle, bis die Energie am Ende chemisch gespeichert ist.

Prinzipiell sollten sich die Nanokapseln daher als Bausteine für eine künstliche Photosynthesemaschine eignen. "Das Licht würden sie sogar wesentlich effizienter nutzen als Pflanzen, weil ihre synthetischen Doppelschichtmembranen zu hundert Prozent aus photoaktivem Material bestehen", sagt Frank Würthner von der Universität Würzburg. Hier haben die Forscher allerdings noch einen langen Weg bis zu irgendwelchen praktischen Anwendungsmöglichkeiten vor sich.

Eine Anwendung, die schon jetzt realisierbar ist, ergibt sich jedoch auf einem anderen Gebiet. Über die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts, das die Nanokapseln ausstrahlen, lässt sich der pH-Wert einer wässrigen Lösung mit Ortsauflösung im Nanometerbereich bestimmen. Denn die inneren Bispyrenmoleküle haben eine Besonderheit: Sie verändern ihre Gestalt in Abhängigkeit von der Umgebung. Bei niedrigem pH-Wert, also in einer sauren Umgebung, nehmen sie eine langgestreckte Form an. Regt man sie mit UV-Licht an, strahlen sie blaues Fluoreszenzlicht aus. Steigt der pH-Wert, klappen sich die Moleküle zusammen. In dieser Gestalt geben sie grünes Fluoreszenzlicht ab. In diesem Zustand regen die Bispyrene die Kapselhülle energetisch an - und die reagiert darauf mit roter Fluoreszenz. Bei einem pH-Wert von 9, also recht nahe beim Neutralpunkt, strahlen sie weißes Fluoreszenzlicht ab, da sich hier die drei Grundfarben blau, grün und rot überlagern.

Quelle: Zhang, Xin et al.: Vesicular perylene dye nanocapsules as supramolecular fluorescent pH sensor systems. In: Nature Chemistry 1, S. 623 – 629, 2009.

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