Floresan Moleküler Rotorlar

Floresan moleküler rotorlar, florofor olarak adlandırılan π-konjuge bağı içeren floresan molekülleridir. Floresan yoğunluğu, çevresel viskoziteden etkilenen rotatörlerin molekül içi dönme derecesine göre değişmektedir. π-konjuge floresan moleküler rotor köprüsü genellikle elektron verici ve alıcı gruplardan oluşmaktadır.

Floresan moleküler rotorların emisyon özellikleri çoğunlukla çözücüye ve ortama bağlıdır ve bu nedenle de çözücü viskozitesi floresan kuantum veriminin birincil belirleyicisidir (Haidekker ve ark., 2005). Düşük viskoziteli ortamlarda, rotatörlerin hızlı dönüşü, uyarma enerjisinin ışımasız olarak gerçekleşmesini indükler, böylece floresan quantum verimini azaltarak floresan yoğunluğunun baskılanmasıyla sonuçlanmaktadır. Ortam viskozitesi arttığında, rotatörlerin dönüşü kademeli olarak inhibe edilmekte bu da kademeli olarak floresan quantum verimini arttırarak floresan yoğunluğunun artmasını sağlamaktadır. Bu viskoziteye duyarlı davranış, floresan moleküler rotorların akışkanlar mekaniği, polimer kimyası, hücre fizyolojisi ve gıda bilimleri gibi alanlarda viskozite ve sıcaklık probları olarak kullanılabilmesini sağlamaktadır (Haidekker ve Theodorakis, 2010).

Floresan moleküler rotorlar, bükülmüş molekül içi yük aktarımı (TICT) yapabilme kabiliyetleri ile karakterize edilen bir floresan molekül grubudur. Doğal olarak bükülmüş halde bulunan bu floresan molekül grubunun üyeleri, bükülmüş durumlarından kurtulup çözüldüklerinde floresan özellik göstermektedirler (Klymchenko ve Mely, 2013).

29

Tipik olarak, bir moleküler rotor üç alt birimden, bir elektron verici ünitesinden, bir elektron kabul ünitesinden ve düzlemsel konformasyonda elektron transferinin gerçekleşmesini sağlayan elektron bakımından zengin π-konjuge bağlantı ünitesinden oluşmaktadır. Bükülmüş hallerinde, içsel floresan sönmüş vaziyette bulunmaktadır, ancak yüksek viskoziteli çözeltilerde olduğu gibi dönüşleri engellendiğinde molekül bükülmüş halden çözülerek ve floresan hale gelmektedir (Beens ve Weller, 1975; Grabowski ve ark., 2003; Klymchenko ve Mely, 2013).

Şekil 2.6: Floresan Moleküler Rotorların Şematik Örnekleri a.) Dimetilaminofenilik ve Pirolik Rotatörlerin Kimyasal Yapısı b.) Çeşitli Yoğunluklarda Floresan Yoğunluğunun Değişimi c.) Farklı Rotatörlerin Değişen Viskozite Koşullarına Göre Floresan Kontrastında Meydana Getirdiği Değişiklikler (Lee ve ark., 2018)

Şekil 2.6.a'da gösterilen floresan moleküler rotorlar elektron vericileri ve alıcıları olan bir π-konjuge köprüsünden oluşmaktadır (siyano grupları). Elektron vericileri olan pirol ve dimetilaminofenil grupları rotatör olarak görev yapmaktadırlar. Viskozite değişimi ile floresan yoğunluğundaki değişikliklerde anahtar rol oynayan π-konjuge köprüsündeki tek C-C bağı boyunca dönerler. Şekil 2.6.b, floresan viskozitesinin bir fonksiyonu olarak floresan yoğunluğu değişikliğini göstermektedir. Ortam viskozitesi arttığında, rotorun dönmesi yavaşladığından floresan yoğunluğu da artmaktadır. Floresan kontrastı (I/Iₒ) burada düşük viskozitedeki floresan yoğunluğuna göre yüksek viskozitedeki floresan yoğunluğunun oranını olarak tanımlamaktadır. Şekil 2.6.c'de gösterildiği gibi, floresan kontrastı (I/Iₒ) genellikle Förster-Hoffmann teorisini esas almaktadır.

ln (I / I0) = C + xln (η)

Bu denkleme göre C deneysel bir sabittir, x floresan moleküler rotorun viskozite duyarlılığıdır ve η ortamın viskozitesidir (Haidekker ve Theodorakis, 2016; Kuimova,

30

2012). Floresan kontrastı, floresan moleküler rotorlardaki rotatörlerin dönme yeteneğine güçlü bir şekilde bağlıdır. Pirolik rotatörler, a’da gösterildiği gibi dimetilaminofenil bazlı rotatörlerden daha kolay dönebilmektedirler. Şekil 2.6.c'de gösterildiği gibi, pirolik rotator bazlı floresan moleküler rotorlar, dimetilaminofenil rotator bazlı floresan moleküler rotorlardan daha yüksek floresan kontrastı göstermektedir. Bu nedenle rotator seçimi, viskoziteye duyarlı floresan performansını yöneten önemli bir faktördür (Lee ve ark., 2016).

Moleküllerde genel olarak oksidasyon veya redüksiyonla bir elektron kaybedildiğinde veya kazanıldığında yapısal değişikliklerin eşlik ettiği bir dipol momenti oluşmaktadır. Elektriksel olarak uyarılmış haldeki moleküller de ayrıca dipol momentleri oluşturmaktadır ve bir elektron kaybeden ya da kazanan moleküller gibi davranabilmektedirler. Benzer şekilde, tek bir bağ ile bağlanan verici-alıcı moleküller, yapısal esneklikleri nedeniyle, uyarıldıklarında yapısal değişiklikler yaşamaktadırlar (Lee ve ark., 2018). Polar çözücüler ile moleküler rotorlar, optik ve/veya elektriksel uyarım tarafından üretilen dipol momentleriyle aktif olarak etkileşime girmektedirler. Öte yandan, kayda değer viskoziteye sahip olan fakat polar olmayan çözücüler, moleküler rotorlarla pasif bir şekilde etkileşime girmekte ve rotorların dönüşlerini sınırlamaktadırlar (Köhle ve ark., 1992).

Şekil 2.7: DMABN ile yapılan floresan emisyonu çalışmaları (Köhler ve ark., 1992) Farklı polaritelere sahip çeşitli solventlerde DMABN'nin floresan emisyon spektrumları. p-N, N-dimetilamino-benzonitrilin (DMABN, Şekil 2.7)'nin hem tek hem de ikili

31

floresan emisyonu verdiği durumları incelemiştirler. Floresan emisyonunun çözücü polaritesine ve sıcaklığına kuvvetle bağlı olduğunu bildirmişlerdir (Lippert ve ark., 1961). DMABN’nin polar olmayan solventlerde tek floresan emisyonu, polar solventlerde ise çift floresan emisyonu sergilediğini yaptıkları çalışma ile bildirmişlerdir.

DMABN'nin polarite bağımlı floresan davranışını açıklamak için hidrojen bağlanma (Cazeau ve ark., 1983), proton transferi (Kosower ve Dodiuk, 1976), TICT (Rotkiewicz, Grellmann ve Grabowski, 1973), vericinin ve alıcının yeniden hibridizasyonu (Leinhos ve ark., 1991) ve moleküler planarizasyon (Schuddeboom ve ark., 1992) gibi çeşitli hipotezler önerilmiştir. Bu hipotezler arasında TICT, DMABN'den gelen ikili floresan dinamiklerini tanımlayan en iyi model olarak kabul edilmiştir. TICT uyarılmış durumlarının oluşum oranının, çözücünün polaritesi ile belirlendiğine dikkat edilmelidir. Bu nedenle, DMABN'nin çiftli floresan emisyonu yalnızca belirli çözücülerde meydana gelmektedir. Şekil 2.3 farklı polaritelerdeki çeşitli çözücülerde DMABN'nin floresan emisyon spektrumlarını göstermektedir.

Yoğun araştırmaların ve DMABN'nin floresan emisyon dinamiklerinin iyice anlaşılmasının ardından, TICT aracılığıyla yapısal bükümün eşlik ettiği birçok diğer alıcı-verici molekül bildirilmiştir (Grabowski, Rotkiewicz ve Siemiarczuk, 1979; Siemiarczuk ve ark., 1977). Polar çözücülerin, hidrojen bağları oluşturarak alıcı-verici moleküllerin TICT uyarılmış hallerini stabilize ettiği bu çalışmaların ardından fikir birliğine varılan görüş olmuştur (Schuddeboom ve ark., 1992).

Benzer şekilde, çözücünün viskositesi, alıcı-verici moleküllerde TICT uyarılmış durumun oluşum oranını da etkilemektedir. Ortamın viskozitesi arttıkça, tek bağlarının sınırlı olmasına rağmen moleküllerin dönüşü (büküm) engellenmektedir. Daha önce belirtildiği gibi, alıcı-verici bazlı moleküler rotorlar, çözücü ortamın polaritesinden ve viskozitesinden etkilenen çevre ile etkileşime girerek yapısal değişiklikleri indüklemek için itici güçler üretmektedir. Viskozite algılaması için, çoğu alıcı-verici moleküllerin aksine, moleküler rotorların floresan emisyonu seçici olarak ortam viskozitesine cevap vermeli ve ortam polaritesinden etkilenmemelidir (Haidekker ve ark., 2005; Loutfy ve Law, 1980). Başka bir deyişle, moleküler rotorlardan floresan salınımının yoğunluğu ve enerjisi yalnızca çözücünün viskozitesinden etkilenmelidir. Bu nedenle, tek bir floresan

32

emisyonuna sahip moleküler rotorlar, en yaygın kullanılan viskozite sensörleridir, çünkü bu tekli floresan emisyonu, çözücü polaritesinden etkilenmemektedir (Allen ve ark., 2005).

Moleküler rotorların, ortamın polaritesine ve viskozitesine karşı olan hassas duyarlılığı, onların viskozite sensörü probları olarak kullanımı uygulamalarını artırmıştır (Hosny ve ark., 2013). Floresan moleküler rotorlar organeller ve mikroakışkan kanallar dâhil olmak üzere çeşitli ortamlarda viskozite sensörleri olarak görev yapabilmektedirler (Lee ve ark., 2018).

2.3.2 Floresan Moleküler Rotorların Biyolojik ve Kimyasal