UV-Licht schaltet Schwefelbindungen

  • 17. January 2017

Neues Verfahren ermöglicht maßgeschneiderte Oberflächen.

Ein neues Verfahren, um Oberflächen zu struk­turieren sowie funktionelle Moleküle aufzu­bringen oder abzutrennen, haben Wissen­schaftler am Karlsruher Institut für Techno­logie KIT entwickelt: Mit UV-Licht sorgen sie dafür, dass sich Disulfid­brücken bilden und lösen. Beide photo­dynamischen Reaktionen erlauben eine zeitlich und räumlich kontrol­lierte sowie umkehrbare Modi­fikation der Oberfläche und eröffnen so neue Möglich­keiten zur Erzeugung funk­tioneller Grenz­flächen.

Abb.: Fluoreszente Muster mit bis zu zehn Mikrometer kleinen Merkmalen lassen sich mit dem neuen Verfahren auf Oberflächen erzeugen. (Bild: Ang. Ch. / Wiley VCH)

Abb.: Fluoreszente Muster mit bis zu zehn Mikrometer kleinen Merkmalen lassen sich mit dem neuen Verfahren auf Oberflächen erzeugen. (Bild: Ang. Ch. / Wiley VCH)

Grenz­flächen von Fest­stoffen und ihre Wechsel­wirkungen mit Gasen, Flüssig­keiten oder anderen Fest­stoffen sind für Anwendungen in vielen Bereichen wichtig, beispiels­weise in der Elek­tronik, der Biotechno­logie oder der Biomedizin. Steuern lassen sich die Wechsel­wirkungen unter anderem durch die räumlich aufge­löste Funktiona­lisierung der Ober­flächen. Photo­chemische, das heißt durch die Einwirkung von Licht einge­leitete Reaktionen ermöglichen dabei eine zeitliche und räumliche Kontrolle der Oberflächen­modifi­kation. Allerdings führen die meisten der bisher zur Oberflächen­funktiona­lisierung eingesetzten photo­chemischen Reaktionen zu irre­versiblen Modifi­kationen, weil dabei kovalente Bindungen entstehen, die besonders stark sind und relativ schwer eine chemische Reaktion eingehen.

Forscher um Pavel A. Levkin, Leiter der Gruppe „Biofunk­tionelle Polymer­materialien“ am Institut für Toxi­kologie und Genetik (ITG) und am Institut für Orga­nische Chemie (IOC) des KIT, stellen nun ein Verfahren vor, das eine sowohl zeitlich und räumlich kontrollierte als auch reversible Struk­turierung von Ober­flächen ermöglicht. „Reversible photo­chemische Modifi­kationen eröffnen viel­fältigere Möglich­keiten“, erklärt Pavel A. Levkin. „Sie eignen sich beispiels­weise zur dyna­mischen Abstimmung von Grenz­flächeneigen­schaften, zur Aktvierung und Deakti­vierung spezi­fischer Funktionen durch bestimmte Reize oder auch zum Aufbringen und Abtrennen funk­tioneller Molekül­gruppen.“

Mit UV-Licht leiten die Wissen­schaftler die Bildung und Lösung von Disulfid­brücken ein. Dabei handelt es sich um Verbindungen von zwei Schwefel­atomen, die wiederum zwei Moleküle verknüpfen. Die Bildung einer Disulfid­brücke geschieht über die Oxidation von Thiolen, das heißt orga­nischen Schwefel­verbindungen, die den Alkoholen entsprechen, aber statt eines Sauerstoff­atoms ein Schwefel­atom besitzen. Über eine Reduktion lässt sich die Disulfid­brücke wieder lösen. UV-indu­zierte Bildung und Lösung von Disulfid­brücken erlauben einen zeitlich und räumlich kontrol­lierten Thiol-Disulfid-Austausch. So brachten die Forscher auf thiol-modifi­zierten Polymer­oberflächen gezielt Disulfide auf und erzeugten damit präzise fluores­zente Muster mit bis zu zehn Mikrometer kleinen Merkmalen. Die Foto­strukturie­rung funktioniert auch umgekehrt durch das Aufbringen von Thiolen auf disulfid-modi­fizierten Ober­flächen.

KIT / JOL

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