Untersuchungen zur Photophysik einzelner konjugierter Polymerketten bei tiefen Temperaturen

Die spektroskopische Untersuchung einzelner konjugierter Polymermoleküle, welche multichromophore Systeme darstellen, bei 1,2K eröffnete den Zugang zu den unterschiedlichen Chromophoren. In Fluoreszenzemissions- wie -anregungsspektren des Poly(2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-rnp-phenylenvinylen) (MEH-PPV) konnten Nullphononenlinien (rein elektronische (0-0)-Übergänge) emittierender Chromophore beobachtet werden, deren Breiten durch das experimentelle Auflösungsvermögen limitiert waren. Dadurch konnte eine obere Grenze für die homogene Linienbreite festgelegt werden. Infolge starker linearer Elektron-Phonon-Kopplung und spektraler Diffusion war die Beobachtung von Nullphononenlinien jedoch auf eine Minderheit der Chromophorernbeschränkt. In geeigneten Probesystemen konnten in Anregungsspektren auch Nullphononenlinien solcher Chromophore identifiziert werden, die als Donoren im intramolekularen Energietransfer fungieren. Aufgrund der dadurch verkürzten Fluoreszenzlebensdauer und der damit verbundenen Linienverbreiterung erlaubte ihre Untersuchung die Ermittlung von Energietransferraten. Eine bei Proben höherer Molmasse auftretenden niederenergetische Subpopulation an Emittern wurde auf Grundlage ihres Fluoreszenzemissions-, -anregungs- und -abklingverhaltens und unter Berücksichtigung theoretischer Arbeiten auf längere chromophore Einheiten zurückgeführt, die sich infolge von Packungseffekten in geordneten Regionen der Polymerkette ausbilden. Die schwächere lineare Elektron-Phonon-Kopplung des leiterartig verknüpften Polypentaphenylen (LPPentP) äußerte sich in einer erhöhten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Nullphononenlinien. Die genaue Bestimmung von Energietransferraten litt allerdings unter einem weiteren signifikanten Beitrag zur Linienbreite neben der Lebensdauer des angeregten Zustandes (möglicherweisernspektrale Diffusion oder schnelle Dephasierungsprozesse).

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Einzelmolekülspektroskopische Untersuchung von Rylenfarbstoffen zur elektronischen Wechselwirkung in multichromophoren Systemen und zur thermischen Besetzung molekularer Schwingungszustände

Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abstandsabhängigkeit des elektronischen Kopplungsverhaltens für eine homologe Reihe von Perylendiimid-Dimeren (PDI-(Ph)x-PDI, x=0-3) mithilfe der Einzelmolekülspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht. Während für große Abstände überwiegend „schwache“ Kopplung dominierte, wurde für den kleinsten Abstand „starke“ Kopplung gefunden. Im Gegensatz dazu zeigte das p-Phenylen-verbrückte Dimer (x=1) in Abhängigkeit vom untersuchten Molekül ein für beide Grenzfälle typisches Verhalten. Hier entscheidet die Größe der Kopplungsstärke im Vergleich zum statischen Energieunterschied, welcher Kopplungsmechanismus vorliegt. Die homologe Reihe ermöglichte zusätzlich die quantitative Untersuchung der Abstandsabhängigkeit der elektronischen Kopplungsstärke im Grenzfall „schwacher“ Kopplung. Sie konnte direkt aus der zugrunde liegenden Energietransferdynamik ermittelt werden. Der Vergleich mit quantenchemisch berechneten Werten lieferte eine gute Übereinstimmung. Die Abweichung betrug lediglich 20%.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde die thermische Besetzung der Schwingungszustände einzelner Terrylen-Moleküle untersucht. Im elektronischen Grundzustand konnte sie mithilfe von anti-Stokes-Fluoreszenz infolge von „Hot Band“ Absorption nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurde Fluoreszenz aus höheren Schwingungszuständen des elektronisch angeregten Zustandes gefunden, die auf „Hot Band“ Emission infolge von thermischer Besetzung zurückgeführt werden konnte. Durch die Kombination von Emissions- und Anregungsspektroskopie konnte die Temperaturabhängigkeit beider Prozesse im Temperaturbereich von 209-311 K untersucht werden. Sie folgt der Boltzmann-Statistik, was eine Temperaturmessung mit einzelnen Molekülen ermöglicht. rn

Factors improving the vibration transfer of the floating mass transducer at the round window

With the placement of a floating mass transducer (FMT) at the round window, a new approach of coupling an implantable hearing system to the cochlea has been introduced. The aim of the present experimental study is to examine the influence of different ways of FMT placement at the round window on the vibration energy transfer to the cochlea.

Enhanced (1)G(4) emission in NaLaF4: Pr3+, Yb3+ and charge transfer in NaLaF4: Ce3+, Yb3+ studied by fourier transform luminescence spectroscopy

A high resolution luminescence study of NaLaF4: 1%Pr3+, 5%Yb3+ and NaLaF4: 1%Ce3+, 5%Yb3+ in the UV to NIR spectral range using a InGaAs detector and a fourier transform interferometer is reported. Although the Pr3+(P-3(0) -> (1)G(4), Yb3+(F-2(7/2) -> F-2(5/2)) energy transfer step takes place, significant Pr3+ (1)G(4) emission around 993, 1330 and 1850 nm is observed. No experimental proof for the second energy transfer step in the down-conversion process between Pr3+ and Yb3+ can be given. In the case of NaLaF4: Ce3+, Yb3+ it is concluded that the observed Yb3+ emission upon Ce3+ 5d excitation is the result of a charge transfer process instead of down-conversion. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

A modular LHC built on the DNA three-way junction

Over the past years, in numerous studies the DNA double helix serves as a scaffold for the controlled arrangement of functional molecules, including a wide range of different chromophores. Other nucleic acid structures like the DNA three-way junction have been exploited for this purpose as well. Recently, the successful development of DNA-based light-harvesting antenna systems have been reported. Herein, we describe the use of the DNA three-way junction (3WJ) as a versatile scaffold for the modular construction of an artificial light harvesting complex (LHC). The LHC is based on a modular construction in which a phenanthrene antenna is located in one of the three stems and the acceptor is brought into proximity of the antenna through the annealing of the third strand. Phenanthrene excitation (320 nm) is followed by energy transfer to pyrene (resulting in exciplex emission), perylenediimide (quencher) or a cyanine dye (cyanine fluorescence).

Gas-phase Lifetimes of Nucleobase Analogues by Picosecond Pumpionization and Streak Techniques

The picosecond (ps) timescale is relevant for the investigation of many molecular dynamical processes such as fluorescence, nonradiative relaxation, intramolecular vibrational relaxation, molecular rotation and intermolecular energy transfer, to name a few. While investigations of ultrafast (femtosecond) processes of biological molecules, e.g. nucleobases and their analogues in the gas phase are available, there are few investigations on the ps time scale. We have constructed a ps pump-ionization setup and a ps streak camera fluorescence apparatus for the determination of lifetimes of supersonic jet-cooled and isolated molecules and clusters. The ps pump-ionization setup was used to determine the lifetimes of the nucleobase analogue 2-aminopurine (2AP) and of two 2AP˙(H2O)n water cluster isomers with n=1 and 2. Their lifetimes lie between 150 ps and 3 ns and are strongly cluster-size dependent. The ps streak camera setup was used to determine accurate fluorescence lifetimes of the uracil analogue 2-pyridone (2PY), its self-dimer (2PY)2, two isomers of its trimer (2PY)3 and its tetramer (2PY)4, which lie in the 7–12 ns range.

Excited state interactions between the chiral Au 38 L 24 cluster and covalently attached porphyrin

A protected S-acetylthio porphyrin was synthesized and attached to the Au38(2-phenylethanethiolate)24 cluster in a ligand exchange reaction. Chiral high performance liquid chromatography of the functionalized cluster yielded enantiomeric pairs of clusters probably differing in the binding site of the porphyrin. As proven by circular dichroism, the chirality was maintained. Exciton coupling between the cluster and the chromophore is observed. Zinc can be incorporated into the porphyrin attached to the cluster, as evidenced by absorption and fluorescence spectroscopy, however, the reaction is slow. Quenching of the chromophore fluorescence is observed, which can be explained by energy transfer from the porphyrin to the cluster. Transient absorption spectra of Au38(2-phenylethanethiolate)24 and the functionalized cluster probe the bleach of the gold cluster due to ground state absorption and the characteristic excited state absorption signals. Zinc incorporation does not have a pronounced effect on the photophysical behaviour. Decay times are typical for the molecular behaviour of small monolayer protected gold clusters.

Villefranche sur Mer: multistressors experiment March 2012

The effect of ocean warming and acidification was investigated on a natural plankton assemblage from an oligotrophic area, the bay of Villefranche (NW Mediterranean Sea). The assemblage was sampled in March 2012 and exposed to the following four treatments for 12 days: control ( 360 µatm, 14°C), elevated pCO2 ( 610 µatm, 14°C), elevated temperature ( 410 µatm, 17°C), and elevated pCO2 and temperature ( 690 µatm, 17°C). Nutrients were already depleted at the beginning of the experiment and the concentrations of chlorophyll a (chl a), heterotrophic prokaryotes and viruses decreased, under all treatments, throughout the experiment. There were no statistically significant effects of ocean warming and acidification, whether in isolation or combined, on the concentrations of nutrients, particulate organic matter, chl a and most of the photosynthetic pigments. Furthermore, 13C labelling showed that the carbon transfer rates from 13C-sodium bicarbonate into particulate organic carbon were not affected by seawater warming nor acidification. Rates of gross primary production followed the general decreasing trend of chl a concentrations and were significantly higher under elevated temperature, an effect exacerbated when combined to elevated pCO2 level. In contrast to the other algal groups, the picophytoplankton population (cyanobacteria, mostly Synechococcus) increased throughout the experiment and was more abundant in the warmer treatment though to a lesser extent when combined to high pCO2 level. These results suggest that under nutrient-depleted conditions in the Mediterranean Sea, ocean acidification has a very limited impact on the plankton community and that small species will benefit from warming with a potential decrease of the export and energy transfer to higher trophic levels.

Determination of Maximum Mechanical Energy Efficiency in Energy Galloping Systems

Transverse galloping is a type of aeroelastic instability characterized by large amplitude, low frequency, normal to wind oscillations that appear in some elastic two-dimensional bluff bodies when subjected to a fluid flow, provided that the flow velocity exceeds a threshold critical value. Such an oscillatory motion is explained because of the energy transfer from the flow to the two-dimensional bluff body. The 7 amount of energy that can be extracted depends on the cross section of the galloping prism. Assuming that the Glauert-Den Hartog quasistatic criterion for galloping instability is satisfied in a first approximation, the suitability of a given cross section for energy harvesting is evaluated by analyzing the lateral aerodynamic force coefficient, fitting a function with a power series in tan a (a being the angle of attack) to 10 available experimental data. In this paper, a fairly large number of simple prisms (triangle, ellipse, biconvex, and rhombus cross sections, as well 11 as D-shaped bodies) is analyzed for suitability as energy harvesters. The influence of the fitting process in the energy harvesting efficiency evaluation is also demonstrated. The analysis shows that the more promising bodies are those with isosceles or approximate isosceles cross sections.

Vehicle to vehicle energy exchange in smart grid applications

This paper presents a novel vehicle to vehicle energy exchange market (V2VEE) between electric vehicles (EVs) for decreasing the energy cost to be paid by some users whose EVs must be recharged during the day to fulfil their daily scheduled trips and also reducing the impact of charging on the electric grid. EVs with excess of energy in their batteries can transfer this energy among other EVs which need charge during their daily trips. These second type of owners can buy the energy directly to the electric grid or they can buy the energy from other EV at lower price. An aggregator is responsible for collecting all information among vehicles located in the same area at the same time and make possible this energy transfer.

Monitoring protein–protein interactions in intact eukaryotic cells by β-galactosidase complementation

We present an approach for monitoring protein–protein interactions within intact eukaryotic cells, which should increase our understanding of the regulatory circuitry that controls the proliferation and differentiation of cells and how these processes go awry in disease states such as cancer. Chimeric proteins composed of proteins of interest fused to complementing β-galactosidase (β-gal) deletion mutants permit a novel analysis of protein complexes within cells. In this approach, the β-gal activity resulting from the forced interaction of nonfunctional weakly complementing β-gal peptides (Δα and Δω) serves as a measure of the extent of interaction of the non-β-gal portions of the chimeras. To test this application of lacZ intracistronic complementation, proteins that form a complex in the presence of rapamycin were used. These proteins, FRAP and FKBP12, were synthesized as fusion proteins with Δα and Δω, respectively. Enzymatic β-gal activity served to monitor the formation of the rapamycin-induced chimeric FRAP/FKBP12 protein complex in a time- and dose-dependent manner, as assessed by histochemical, biochemical, and fluorescence-activated cell sorting assays. This approach may prove to be a valuable adjunct to in vitro immunoprecipitation and crosslinking methods and in vivo yeast two-hybrid and fluorescence energy transfer systems. It may also allow a direct assessment of specific protein dimerization interactions in a biologically relevant context, localized in the cell compartments in which they occur, and in the milieu of competing proteins.

RecA tests homology at both pairing and strand exchange

RecA is a 38-kDa protein from Escherichia coli that polymerizes on single-stranded DNA, forming a nucleoprotein filament that pairs with homologous duplex DNA and carries out strand exchange in vitro. To observe the effects of mismatches on the kinetics of the RecA-catalyzed recombination reaction, we used assays based upon fluorescence energy transfer that can differentiate between the pairing and strand displacement phases. Oligonucleotide sequences that produced 2–14% mismatches in the heteroduplex product of strand exchange were tested, as well as completely homologous and heterologous sequences. The equilibrium constant for pairing decreased as the number of mismatches increased, which appeared to result from both a decrease in the rate of formation and an increase in the rate of dissociation of the intermediates. In addition, the rate of strand displacement decreased with increasing numbers of mismatches, roughly in proportion to the number of mismatches. The equilibrium constant for pairing and the rate constant for strand displacement both decreased 6-fold as the heterology increased to 14%. These results suggest that discrimination of homology from heterology occurs during both pairing and strand exchange.

Misactivated amino acids translocate at similar rates across surface of a tRNA synthetase

Certain aminoacyl-tRNA synthetases have a second active site that destroys (by hydrolysis) errors of amino acid activation. For example, isoleucyl-tRNA synthetase misactivates valine (to produce valyl adenylate or Val-tRNAIle) at its active site. The misactivated amino acid is then translocated to an editing site located >25 Å away. The role of the misactivated amino acid in determining the rate of translocation is not known. Valyl-tRNA synthetase, a close homolog of isoleucyl-tRNA synthetase, misactivates threonine, α-aminobutyrate, and cysteine. In this paper, we use a recently developed fluorescence-energy-transfer assay to study translocation of misactivated threonine, α-aminobutyrate, and cysteine. Although their rates of misactivation are clearly distinct, their rates of translocation are similar. Thus, the rate of translocation is independent of the nature of the misactivated amino acid. This result suggests that the misactivated amino acid per se has little or no role in directing translocation.

An unusual pathway of excitation energy deactivation in carotenoids: Singlet-to-triplet conversion on an ultrafast timescale in a photosynthetic antenna

Carotenoids are important biomolecules that are ubiquitous in nature and find widespread application in medicine. In photosynthesis, they have a large role in light harvesting (LH) and photoprotection. They exert their LH function by donating their excited singlet state to nearby (bacterio)chlorophyll molecules. In photosynthetic bacteria, the efficiency of this energy transfer process can be as low as 30%. Here, we present evidence that an unusual pathway of excited state relaxation in carotenoids underlies this poor LH function, by which carotenoid triplet states are generated directly from carotenoid singlet states. This pathway, operative on a femtosecond and picosecond timescale, involves an intermediate state, which we identify as a new, hitherto uncharacterized carotenoid singlet excited state. In LH complex-bound carotenoids, this state is the precursor on the reaction pathway to the triplet state, whereas in extracted carotenoids in solution, this state returns to the singlet ground state without forming any triplets. We discuss the possible identity of this excited state and argue that fission of the singlet state into a pair of triplet states on individual carotenoid molecules constitutes the mechanism by which the triplets are generated. This is, to our knowledge, the first ever direct observation of a singlet-to-triplet conversion process on an ultrafast timescale in a photosynthetic antenna.