A study on aggregation-induced emission based diketopyrrolopyrrole and their application in light-converting films for the enhancement of lipid production from Chlorella sp.

Abstract

Microalgae are organisms that can utilize sunlight for photosynthesis. They are an ideal, green energy source as they produce biofuels, such as biodiesel, by consuming carbon dioxide, a greenhouse gas. To commercialize microalgae-based biofuels, it is essential to produce large amounts of lipids from mass producing algal biomass. Therefore, researchers have been trying to enhance the productivity of microalgae. For photosynthesis, microalgae use light energy only in the visible wavelength range (400-700 nm), also known as photosynthetically active radiation (PAR). Blue (400-500 nm) and red (600-700 nm) light within the PAR range is known to more effectively enhance microalgal growth than green (500-600 nm) light. However, the full sunlight spectrum contains not only the blue and red light that promotes microalgal growth, but also the green light that microalgae do not utilize. Therefore, converting the solar energy from green to red light is highly desirable for enhancing microalgal productivity. Fluorescent dyes are promising candidate for light-converting materials that can absorb specific wavelengths of light and emit longer wavelengths of photons. However, although the fluorescent dyes exhibit high fluorescence quantum yields in solution, they suffer drastic fluorescence quenching by aggregation-caused quenching (ACQ), and therefore, should be addressed. In this study, to address the ACQ, red fluorescent dyes exhibiting aggregation-induced emission (AIE) with optimized optical properties for enhancing microalgal productivity were synthesized. Subsequently, light-converting culture flasks were prepared using the synthesized dyes and applied them to microalgal cultivation to observe their growth and lipid productivity changes. In Chapter 2, to overcome the ACQ, triphenylamine (TPA) substituted diketopyrrlopyrrole (DPP) fluorescent dyes exhibiting AIE were designed. Electron donor- and acceptor-type DPPs were utilized to achieve a large Stokes shift by efficient internal charge transfer (ICT). These large Stokes shifts of dyes are essential for efficient light conversion because they minimize the auto-absorption, which is due to the spectral overlap of the absorption and emission of the dyes. Therefore, highly emissive and electron-deficient DPP was used as an electron acceptor, and electron-rich TPA derivatives were used as electron donors. In addition, the synthesized DPPs exhibited excellent fluorescence quantum yield in solid film state via AIE based on restriction of intramolecular motion of TPA derivatives. In Chapter 3, the AIE-DPPs contained light-converting film was utilized in microalgal cultivation to investigate the changes of microalgal growth and lipid productivity depending on the optical properties of light-converting films. The dyes were mixed with methyl methacrylate binder polymer to fabricate the light-converting films, and their photosynthetic photon flux density (PPFD) was analyzed in the PAR range to evaluate their light-converting characteristics. The films exhibited efficient light-converting properties in the PAR range, decreasing the PPFD of green light and increasing the PPFD of red light. The growth of microalgae using fabricated culture flasks was monitored by analyzing the optical density and dry cell weight changes. Then, fatty acid methyl ester (FAME) content and biomass composition obtained after cultivation were analyzed using gas chromatography with a flame-ionized detector. Both growth and lipid productivity of microalgae were drastically enhanced depending on the irradiation of deep-red emission (650-700 nm), rather than orange-red (600-650 nm), because chlorophyll a and chlorophyll b contained inside the microalgae effectively absorbed the deep-red light. In Chapter 4, a theoretical study was conducted to design AIE-DPPs that are highly emissive in the deep-red range to maximize microalgal productivity. For this emission, strong electron-donating abilities were required from the TPA moieties contained in the DPP fluorescent dyes. Although the electron-rich methoxy group enables the DPP dyes to emit in the deep-red emission range, it also induces rapid fluorescence quenching by unknown mechanisms. A time-resolved spectroscopic study using a pump-probe femtosecond transient absorption spectrometer was conducted to unravel this unknown mechanism. Through these experiments, it was observed that, when photo-excited, the empty ground state of the electron acceptor was occupied by methoxy-derived non-bonding n-state electrons via intramolecular photo-induced electron transfer. Eventually, this process was revealed to be the fluorescence quenching mechanism that prevents radiative decay of the excited electrons. In Chapter 5, a novel TPA derivative was synthesized using an electron-rich and freely-rotating TPE moiety instead of a methoxy group, which induces fluorescence quenching. Subsequently, it was used to synthesize highly emissive deep-red-emitting AIE-DPPs. The novel TPA-substituted DPP dyes exhibited not only deep-red emissions but also high fluorescence quantum yields of 32.2% in the solid film state by AIE. In addition, the AIE-DPP was utilized to fabricate light-converting culture flasks and showed excellent light-converting properties with a high PPFD increase of 7.0% in the deep-red emission range. By culturing the microalgae using the fabricated culture flasks the total microalgal lipid productivity was drastically enhanced up to 62.4%.

미세 조류는 햇빛 아래에서 광합성 할 수 있는 유기체이며 온실가스인 이산화탄소를 소비하여 바이오 디젤과 같은 바이오 연료를 생산할 수 있는 이상적인 녹색 에너지 원이다. 이러한 미세 조류 기반 바이오 연료를 상용화 하기 위해서는 미세 조류로부터 대량의 바이오매스를 확보하여 다량의 지질을 생산하는 것이 필수적이다. 따라서 미세 조류의 생산성을 향상시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 미세 조류는 광합성에 가시광선 파장(400-700 nm)의 빛 에너지만을 이용하며, 이 파장 범위를 광합성 유효 방사라고도 한다. 특히, 광합성 유효 방사 내의 청색광(400-500nm) 및 적색광(600-700nm)은 녹색광(500-600nm)보다 미세 조류 성장을 촉진시키는 데 더 효과적인 것으로 보고되고 있다. 그러나, 태양광에는 미세조류의 성장에 효율적인 청색광 및 적색광뿐만 아니라 이들이 활용하지 못하는 녹색광 또한 포함되어 있다. 따라서, 미세조류의 태양광 활용 극대화를 위해 이들이 효율적으로 사용하지 못하는 녹색광 에너지를 적색광 에너지로 변환하여 생산성 향상을 기대할 수 있다. 형광염료는 이러한 태양광 에너지 변환에 적합한 재료로써, 특정 파장의 빛 에너지를 흡수하여 더 긴 파장의 빛 에너지를 방출 할 수 있는 유기 화합물이다. 그러나 형광염료는 용액 상태에서 우수한 발광 특성을 보임에도 불구하고 이들을 광변환 필름으로 응용하게 되면 응집 소광 현상에 의해 발광 특성이 감소하기 때문에 이를 개선할 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 응집 소광 현상을 개선하기 위해 응집 유도 발광 특성을 나타내며, 미세조류 생산성 향상에 가장 적합한 광학적 특성을 나타내는 적색 형광 염료를 합성 하였다. 이후, 합성된 염료를 이용해 광변환 배양 플라스크를 제작하고 미세조류 배양에 응용하여 이들의 성장 및 지질 생산성 변화를 관찰하였다. 제 2 장에서는 형광염료의 응집 소광 현상을 개선하기 위해 응집 유도 발광 특성을 보이는 트리페닐아민이 치환된 디케토피롤로피롤 적색 형광 염료를 디자인 하고 합성하였다. 먼저, 효율적인 내부 전하 이동에 의한 큰 스토크스 시프트를 달성하기 위해 전자 공여체 및 수용체가 연결된 타입의 디케토피롤로피롤 형광염료를 디자인 하였다. 큰 스토크스 시프트는 형광염료의 흡수 및 발광 스펙트럼 중첩에 의한 자동 흡수를 최소화함으로써 효율적인 광변환에 필수적이다. 따라서, 발광 특성이 우수하고 전자가 결핍된 디케토피롤로피롤을 전자 수용체로, 전자가 풍부한 트리페닐아민 유도체를 전자 공여체로사용 하였다. 특히, 트리페닐아민 유도체의 분자 내 운동 제한에 의한 응집 유도 발광에 의해 합성된 디케토피롤로피롤 형광염료가 고체 필름상태에서도 높은 발광 특성을 보였다. 제 3 장에서는 응집 유도 발광 기반 디케토피롤로피롤 형광염료가 포함된 광변환 필름을 미세조류의 배양에 응용하여 광변환 필름의 광학적 특성에 따른 미세조류의 성장 및 지질 생산성 변화를 관찰하고자 하였다. 합성된 형광염료를 메틸 메타크릴레이트 고분자와 혼합하여 광변환 필름을 제작 하고 광합성 유효 방사 내에서 이들의 광합성 광양자속 밀도 변화를 분석하여 광변환 특성을 평가하였다. 광변환 필름들은 유효 방사 내 녹색광 영역에서 광합성 광양자속 밀도 감소를 보였으나 적색광 영역에서 광합성 광양자속 밀도 증가를 보여 효과적인 광변환 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 이후 광변환 필름을 이용해 배양 플라스크를 제작하고 미세 조류의 배양을 수행하였다. 이들의 성장을 관찰하기 위해 광학 밀도 및 건조 세포 중량 변화를 분석하였고, 배양 후 미세조류로부터 얻은 바이오매스의 지방산 메틸 에스터 함량 및 조성을 가스 크로마토그래피-불꽃이온화검출기를 사용해 분석 하여 총 지방산 생산 증감률을 계산하였다. 그 결과, 광변환 필름의 오렌지-적색광(600-650 nm) 영역에서 광합성 광양자속 밀도 증가 보다 심적색광(650-700 nm) 영역에서 광합성 광양자속 밀도 증가에 따라 미세 조류의 성장 및 지질 생산성이 더 크게 향상됨을 확인하였다. 이는 미세조류 내부의 엽록소가 심적색광 에너지를 가장 효과적으로 광합성에 이용하기 때문이었다. 제 4 장에서는 미세조류의 생산성을 더욱 극대화 하기 위한 심적색광 파장영역에서 높은 발광 특성을 보이는 응집 유도 발광 디케토피롤로피롤 형광염료를 디자인 하기 위한 이론적 연구를 진행하였다. 심적색광 파장 범위에서 발광을 나타내기 위해서는 디케토피롤로피롤 형광염료에 포함된 트리페닐아민 유도체의 강력한 전자 공여 능력이 요구되었다. 전자가 풍부한 메톡시 그룹이 포함된 트리페닐아민 유도체는 응집 유도 발광 디케토피롤로피롤이 심적색광 파장 범위에서 발광할 수 있게 하였으나, 동시에 원인이 알려지지 않은 급격한 형광 소광을 유도 하였다. 이러한 형광 소광 메커니즘을 규명하기 위해 펌프-프로브 펨토초 순간 흡수 분광기를 활용한 시분해 분광 분석을 실시하였다. 실험을 통해 광여기에 의해 디케토피롤로피롤 전자 수용체의 바닥상태가 비어있을 때, 메톡시그룹에 의한 비결합 전자들이 분자내 광유도 전자 전달을 통해 비어 있는 전자 수용체의 바닥상태를 빠르게 점유하는 것을 관찰하였다. 결국, 이러한 현상이 여기된 전자들이 빛 에너지로 방출되는 것을 방해하는 형광 소광의 원인임을 밝혔다. 제 5 장에서는 트리페닐아민 유도체에 형광 소광을 유발하는 메톡시 대신 전자가 풍부하며 자유 회전이 가능한 테트라페닐에텐 유도체를 포함한 신규 트리페닐아민 유도체를 디자인 및 합성하였다. 신규 트리페닐아민 유도체를 포함한 디케토피롤로피롤 형광염료는 심적색광 파장 범위에서 발광할 뿐만 아니라 응집 유도 발광에 의해 고체 필름상에서도 32.2%의 높은 형광양자수율을 나타냈다. 또한 이들을 광변환 필름으로 응용하여 제작한 광변환 배양 플라스크는 심적색광 영역에서 7.0%의 높은 광합성 광양자속 밀도 상승을 나타냈다. 제작된 배양 플라스크를 이용해 미세조류를 배양한 결과 총 62.4%의 급격한 지질 생산성 향상이 확인되었다.