Entwicklung und Charakterisierung photochromer Sicherheitsinkjettinten auf Basis von Bakteriorhodopsin

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der technischen Nutzung des Membranproteins Bakteriorhodopsin (BR), das in dem Archaebakterium Halobacterium salinarum als lichtgetriebene Protonenpumpe fungiert. Mit dem Protonenpumpmechanismus ist ein Farbwechsel des Proteins von purpur nach gelb verbund...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Pudewills, Jens
Beteiligte: Hampp, Norbert (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2009
Chemie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der technischen Nutzung des Membranproteins Bakteriorhodopsin (BR), das in dem Archaebakterium Halobacterium salinarum als lichtgetriebene Protonenpumpe fungiert. Mit dem Protonenpumpmechanismus ist ein Farbwechsel des Proteins von purpur nach gelb verbunden. Durch gentechnische Modifikation konnte in vorangegangenen Arbeiten der Farbwechsel, der im Wildtyp-BR nur einige Millisekunden andauert, zugunsten einer optimalen Photochromie in einen Bereich von Sekunden bis Minuten ausgedehnt werden. Das Protein BR ist durch seine Einbettung in ein zweidimensionales Kristallgitter in Form der Purpur¬membran (PM) gegenüber Umwelteinflüssen so stabil, dass es als Protein in Verbindung mit seinen Eigenschaften für technische Anwendungen attraktiv ist. Ziel dieser Arbeit ist es die Anwendung der PM als photochromes Pigment im Inkjetdruck zu realisieren. Photochrome Pigmente sind vor allem für den Sicherheits- und Wertedruck von Interesse. Produktpiraterie ist ein weit verbreitetes Phänomen, gegen das sich Unternehmen wehren müssen. Die Produktnachahmung hängt von der Kopierbarkeit ab. Um technische Hürden zu schaffen, werden viele Produkte mit sichtbaren und unsichtbaren Sicherheitsmerkmalen ausgestattet. Sichtbare Sicherheitsmerkmale dienen dem Kunden als Erkennungsmerkmal für ein Produkt, während nicht sichtbare, meist forensische Sicherheitsmerkmale, dem Hersteller zur eindeutigen Identifizierung dienen. Einen Teil der sichtbaren Sicherheitsmerkmale bilden die nur schwer kopierbaren optisch variablen Elemente. Dies können beugungsoptisch wirksame Mikrostrukturen (Hologramme), Materialien mit variablen Reflektionseigenschaften (Kippeffekte) oder optisch variable Farben sein. Photochrome Farben, die bei sichtbarem Licht schalten, kommen trotz des Bedarfes an solchen Spezialfarben bisher noch nicht zum Einsatz. Auf dem Syntheseweg zugängliche Photochrome verfügen nur über eine geringe Zyklizität. BR hingegen ist aufgrund seiner hohen Zyklizität und effizienten Photoreaktion besser als vergleichbare synthetische photochrome Materialien. PM bietet als Sicherheitspigment nicht nur die Photochromie als sichtbares Sicherheitsmerkmal, sondern kann durch gentechnische Modifikation von nichtfunktionellen Teilen des Proteingerüstes kann es auch als forensisches Sicherheitsmerkmal genutzt werden. Die Herkunft des Materials kann somit eindeutig identifiziert werden. In vorangegangenen Arbeiten wurden mit dem Pigment PM photochrome Sieb- und Tampondruckfarben entwickelt. , Mit diesen Verfahren ist im technischen Maßstab jedoch nur ein geringer Durchsatz zu erreichen, so dass es ein lohnenswertes Ziel darstellt, PM-basierte Inkjetfarben zu entwickeln. Der Inkjetdruck kann als Hochdurchsatz¬verfahren bei freier Motivwahl problemlos in bestehende Produktionsstraßen z.B. für Verpackungen eingebunden werden. Mit im Labor entwickelten, an eine bestimmte Oberfläche angepassten Inkjettinten, können sehr hohe Stückzahlen erzeugt werden. Der Druckprozess und die Eigenschaften der Inkjettinten sind derart komplex, dass sie bislang nicht über Modelle berechnet werden können. Die Entwicklung von Inkjettinten ist deshalb in weiten Teilen ein Trial & Error Verfahren. Die technologischen Anforderungen an Inkjettinten sind umfangreicher, als bei anderen Druckmethoden, wodurch die Entwicklung aufwendiger ist, was die technologischen Hürden für Fälscher zusätzlich erhöht. Die Eigenschaften von Inkjettinten wie Viskosität und Oberflächenspannung müssen sehr genau eingestellt werden. Die Einstellung der Oberflächenspannung erfolgt mit Tensiden, was bei der Verwendung eines Proteins als Pigment ein besonders anspruchsvolles Problem darstellt und im Rahmen dieser Arbeit gelöst wurde. Im Vergleich zu anderen Pigmenten ist die PM sehr instabil. Anorganische Pigmente besitzen die höchste Stabilität und ihre Echtheit wird praktisch nur durch organische Farbzusätze beeinträchtigt. Organische Pigmente weisen zwar geringere Echtheiten auf, finden aber aufgrund ihrer höheren Farbstärke und Buntheit eine breite Verwendung. Mit herkömmlichen Pigmenten ließ sich bisher keine photochrome Anwendung realisieren. Besonders schwierig ist die geringe Stabilität der PM gegen Lösungs¬mittel, die die Verarbeitbarkeit einschränkt und als anwendungs¬technische Eigenschaften ausführlich charakterisiert werden. So wird die PM durch viele im Inkjetdruck üblicherweise eingesetzte Chemikalien denaturiert. Die Möglichkeiten bei der Herstellung von Inkjettinten sind dadurch stark eingeschränkt, weshalb die Entwicklung von PM basierender Inkjettinten eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2010.0131