Novel Dyes for Rapid Virus Detection Sensor Long-Pass Filter and Dye-Sensitized Solar Cell Applications - Synthesis and Characterization

Abstract

Den raske globale spredningen av flere virussykdommer som alvorlig, akutt luftveisinfeksjon (SARS), Ebola og Zika gjennom de siste tiårene har gitt mangelfull infrastruktur i det offentlige helsevesen i en rekke utviklingsland internasjonal politisk oppmerksomhet. Potensielt fatale globale konsekvenser av en mangelfull evne til effektivt å oppdage og begrense spredningen av virusutbrudd i utviklingsland har medført et ønske om hurtig utvikling av gullstandard diagnostiske tester for nøyaktig, billig og rask diagnostisering. Anvendelsen av fargestoff- sensitiverte titandioksid (TiO2) filter, basert på veletablerte prinsipper for fargestoff-sensitiverte solseller (DSSC), har blitt foreslått å gi en ønsket høy kvalitet, lav kostnad og ikke-fluoriserende egenskaper avgjørende for implementering i kvantitative diagnostiske tester med høy sensitivitet. Tre nye langpass-filterfargestoffer i LFD-serien vist i Figur 1.1 i Seksjon 1.2 ble herav syntetisert beregnet for anvendelse i en hurtig sensor for virusdeteksjon. Fargestoffet LFD-1 ble tidligere syntetisert av forfatteren under det foregående spesialiseringsprosjektet. Den metylerte LFD-2 ble erstattet med den heksylerte LFD-3 tidlig i masterprosjektet grunnet løselighetsproblemer i forbindelse med forløperne til LFD-2. Fargestoffet LFD-3 ble syntetisert gjennom en endelig åtte-trinns synteserute med akseptable til gode utbytter på 60-88%. Fargestoffet LFD-4 ble syntetisert gjennom en endelig syv-trinns synteserute med utbytter på 71-87%. De fotofysiske egenskapene til fargestoffene i LFD-serien viste lovende blokkerings- og transmisjonsegenskaper for applikasjon i langpass-filtre med høye "molar extionctions coefficient" verdier og maksimum absorpsjonsbølgelengder i løsning ved 374-416 nm. Absorpsjonsspektrene for de fargestoff-sensitiverte TiO2 filtrene viste en ikke-ideell båndspredning og en hypsokromisk skiftet absorpsjon sammenlignet med fargestoffene i løsninger. Båndspredningen ble foreslått tilordnet molekylær aggregering, og anvendelsen av mer omfattende molekylære antiaggregerings-bestanddeler og koadsorbenter ble foreslått for videre undersøkelse. Strukturelle modifikasjoner med sikte på en bathokromisk skiftet maksimum absorpsjon ble også foreslått. De elektrokjemiske egenskapene og den fotovoltaiske ytelsen til fargestoffene ble undersøkt med tanke på muligheten også for DSSC-applikasjoner. HOMO- og LUMO-nivåene ble funnet å være i området fra henholdsvis 0.862 til 0.944 V og -1.23 til -1.34 V. DSSC-enhetene ga akseptable "open-circuit voltage" og "fill factor" verdier, men en generelt lav "short-circuit current" ødeleggende for "power conversion efficiency" verdiene på 0.19-0.8%. Den lave effektiviteten ble foreslått tilordnet omfattende molekylær aggregering på halvlederoverflaten og/eller en lav mengde adsorbert fargestoff.

Throughout the past decades the rapid global spread of several viral diseases like severe acute respiratory syndrome (SARS), Ebola and Zika has brought the limited public healthcare infrastructure in a number of third world countries to the international political attention. The possibly severe global consequences of an inadequate ability to effectively detect and limit the spread of viral outbreaks in developing countries has led to a call for the rapid development of gold standard diagnostic tests for accurate, cheap and rapid point-of-care diagnosis. The application of dye-sensitized titanium dioxide (TiO2) filters, utilizing the well-known principles of dye-sensitized solar cells (DSSCs), has been proposed to provide the desired high-quality, low-cost and non-fluorescent properties required for integration in high-sensitivity, quantitative point-of-care diagnostic devices. Three novel long-pass filter dyes in the LFD-series shown in Figure 1.1 in Section 1.2 were hereby synthesized intended for application in a rapid point-of-care virus detection sensor. The LFD-1 dye had been synthesized by the author during the previously specialization project. The methylated LFD-2 was replaced by the hexylated LFD-3 early in the master’s project due to solubility issues regarding the LFD-2 precursors. The LFD-3 dye was afforded through a final eight-step synthesis with acceptable to good yields of 60-88%. The LFD-4 dye was similarly acquired through a seven-step synthesis with yields of 71-87%. The photophysical properties of the LFD-series showed promising blocking and transmission characteristics for long-pass filter applications with high molar extinction coefficient values and maximum absorption wavelengths in solutions at 374-416 nm. The absorption spectra of the dye-sensitized TiO2 filters showed a non-ideal band broadening and hypsochromic shift compared to the dyes in solution. The broadening effect was proposedly attributed to molecular aggregation, and the application of more extensive anti-aggregation moieties and co-adsorbents were proposed for further investigation. Structural modifications targeting a bathochromic shift of the absorbance maximum were also proposed. The electrochemical properties and photovoltaic performance of the dyes considering the possible DSSC applications were additionally investigated. The HOMO- and LUMO-levels were determined to be in the range of 0.862 to 0.944 V and -1.23 to -1.34 V respectively. The DSSC devices afforded acceptable open-circuit voltage and fill factor values, but a generally poor short-circuit current detrimental to the overall power conversion efficiency values in the range of 0.19-0.8%. The low efficiencies were proposedly attributed to extensive dye aggregation on the semiconductor surface and/or a low dye loading.