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Quantenpunktbasiertes spektroskopisches Lineal mit Terbium-Komplexen als Donoren für optische FRET-Multiplexmessungen

Quantum-dot based spectroscopic ruler with terbium-complexes as donors for multiplexed optical FRET measurements
 
: Morgner, Frank

:
Fulltext (PDF; )

Potsdam, 2012, XII, 142 pp., XXX
Potsdam, Univ., Diss., 2012
URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-63576
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IAP ()

Abstract
Der Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) liefert einen wichtigen Beitrag bei der Untersuchung kleinskaliger biologischer Systeme und Prozesse. Möglich wird dies durch die r-6-Abhängigkeit des FRET, die es erlaubt Abstände und strukturelle Änderungen weit unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts mit hoher Sensitivität und geringem Aufwand zu bestimmen. Die besonderen photophysikalischen Eigenschaften von Terbiumkomplexen (LTC) und Quantenpunkten (QD) machen sie zu geeigneten Kandidaten für hochsensitive und störungsarme Multiplex-Abstandsmessungen in biologischen Systemen und Prozessen. Die Abstandsbestimmungen setzen jedoch eine genaueste Kenntnis des Mechanismus des Energietransfers von LTC auf QD ebenso voraus, wie das Wissen um Größe und Gestalt letzterer. Quantenpunkte haben im Vergleich zu biologischen Strukturen ähnliche Dimensionen und können nicht als punktförmig betrachtet werden, wie es bei einfacheren Farbstoffen möglich ist. Durch ihre Form kommt es zu einer Abstandsverteilung innerhalb des Donor-Akzeptorsystems. Dies beeinflusst den Energietransfer und damit die experimentellen Ergebnisse. In dieser Arbeit wurde der Energietransfer von LTC auf QD untersucht, um zu einer Aussage hinsichtlich des Mechanismus der Energieübertragung und der dabei zu berücksichtigenden photophysikalischen und strukturellen Parameter von LTC und QD zu gelangen. Mit der Annahme einer Abstandsverteilung sollten die Größen der Quantenpunkte bestimmt und der Einfluss von Form und Gestalt auf den Energietransfer betrachtet werden. Die notwendigen theoretischen und praktischen Grundlagen wurden eingangs dargestellt. Daran schlossen sich Messungen zur photophysikalischen Charakterisierung der Donoren und Akzeptoren an, die Grundlage der Berechnung der FRET-Parameter waren. Die Förster-Radien zeigten die für den FRET von LTC auf QD typischen extrem hohen Werte von bis zu 11 nm. Zeitaufgelöste Messungen der FRET-induzierten Lumineszenz der Donoren und Akzeptoren in den beiden biomolekularen Modellsystemen Zink-Histidin und Biotin-Streptavidin beschlossen den praktischen Teil. Als Donor wurde Lumi4Tb gebunden an ein Peptid bzw. Streptavidin genutzt, Akzeptoren waren fünf verschiedene, kommerziell erhältliche Quantenpunkte mit Carboxyl- bzw. Biotinfunktionalisierung. Bei allen Donor-Akzeptor-Paarungen konnte FRET beobachtet und ausgewertet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die gesamte Emission des Terbiums zum Energietransfer beiträgt und der Orientierungsfaktor ?² den Wert 2/3 annimmt. Die Charakterisierung der Bindungsverhältnisse innerhalb der FRET-Paare von LTC und QD über Verteilungsfunktionen bietet über die Form der Verteilungskurve die Möglichkeit Aussagen über die Gestalt der FRET-Partner zu treffen. So war es möglich, die mittlere Form der Quantenpunkte als Sphäre zu bestimmen. Dies entsprach, insbesondere bei den in z-Richtung des Kristallgitters elongierten Quantenpunkten, nicht den Erwartungen. Dieser Befund ermöglicht daher bei zukünftigen Messungen eine Verbesserung der Genauigkeit bei Abstandsbestimmungen mit Quantenpunkten. Neben der Ermittlung der die FRET-Verteilung bestimmenden Gestalt der Quantenpunkte konnte im Rahmen dieser Arbeit anhand vergleichender Messungen die Dicke der Polymerhülle der QD bestimmt und so gezeigt werden, dass FRET-Paare aus lumineszenten Terbiumkomplexen und Quantenpunkten in der Lage sind, Abstände im Nano- bis Sub-Nanometerbereich aufzulösen.

 

Förster resonance energy transfer (FRET) plays an important role in the study of small-scale biological systems and processes. This is made possible by the r-6-dependence of FRET, which allows for determination of distances and structural changes far below the diffraction limit of light with high sensitivity and low costs. The unique photophysical properties of terbium complexes (LTC) and quantum dots (QDs) make them suitable candidates for high-sensitivity, low-noise multiplex distance measurements in biological systems and processes. Estimating distances with these FRET-pairs requires a precise knowledge of the mechanism of energy transfer from LTC to QD as well as the knowledge of size and shape of the latter. Quantum dots have, compared to biological structures, similar dimensions and therefore can not be considered as point-like, as it is possible with smaller dyes. Due to their shape, there is a distance distribution within the donor-acceptor system. This influences the energy transfer and hence the experimental results. In this work, the energy transfer from LTC to QD was examined to come to a conclusion regarding the mechanism of energy transfer and the photophysical and structural parameters of LTC and QD to be considered. The adoption of a FRET-distance distribution due to a size distribution of quantum dots should yield to a size estimation of the nanoparticles as well as a conclusion of the influence of shape and form on energy transfer. The necessary theoretical and practical principles were described at the outset of this work. This description of the basic concepts was followed by the photophysical characterization of the donors and acceptors and the calculation of FRET parameters. The calculated Förster radii were typical for the FRET from LTC to QD and showed extremely high values of up to 11 nm. Time-resolved measurements of the FRET-induced luminescence of donors and acceptors in two biomolecular model binding systems namely zinc-histidine and biotin-streptavidin binding rounded the practical part. FRET-donors used were commercially available Lumi4Tb complexes bound to streptavidin or a peptide, respectively. As FRET-acceptors five different commercially available quantum dots with carboxyl- or biotin-functionalisation were used. For all donor-acceptor pairs FRET could be observed and evaluated. It could be shown that the whole emission of terbium contributes to energy transfer. Furthermore the orientation factor ?² was estimated to have a value of 2/3 when using LTC as FRET-donors and QD as FRET-acceptors. The characterization of the bonding within the FRET pairs of LTC and QD with distribution functions allows for statements about the shape of the FRET partners via shape of the distribution curves. It was possible to determine the average shape of the quantum dots as a sphere. This outcome was, especially for (in z-direction of the crystal lattice) elongated quantum dots, in the contrary to the expectations. This finding therefore allows for improving the accuracy of distance determinations with quantum dots. Based on comparative measurements it was also possible to determine the thickness of the polymer shell of the QD demonstrating that FRET pairs of luminescent terbium complexes and quantum dots are capable of determining distances in the nanometer to sub-nanometer range.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-234112.html