Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie in Polymerlösungen

Die Dynamik von Makromolekülen spielt bei Transportprozessen in
weicher Materie eine wichtige Rolle.
Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) kann die Dynamik
spezifisch fluoreszenzmarkierter Moleküle in Lösung verfolgen. Das
Prinzip der Methode basiert auf der Analyse von
Intensitätsfluktuationen innerhalb eines Volumens in der
Größenordnung eines Femtoliters (1 fl = 1 Kubikmikrometer). In
dieser Arbeit wurde mit FCS die Dynamik von DNA, Aktin und
Hyaluronsäure untersucht. Die Schwerpunktsdiffusion in Lösung, die
intramolekulare Kettendynamik und das Verhalten von Polymerlösungen
im Scherfluss wurden studiert. Die Möglichkeit für Messungen der
Dynamik an Grenzflächen wurde geschaffen. Die Autokorrelation
fluoreszenzmarkierter DNA in Lösung zeigt auf verschiedenen
Zeitskalen charakteristische Abfälle, die ihre Ursache in
unterschiedlichen dynamischen Prozessen haben. Mit den in dieser
Arbeit entwickelten Modellfunktionen für die Autokorrelation lassen
sich die charakteristischen Größen der verschiedenen Prozesse durch
Anpassung an die experimentellen Daten gewinnen. Bei kurzen Zeiten
im Mikrosekundenbereich fällt die Korrelationsfunktion auf Grund
photochemischer Prozesse der Fluoreszenzfarbstoffe exponentiell ab.
Im Bereich von 10-100 Mikrosekunden zeigen die Daten einen weiteren
Abfall, der stark von der Anzahl der Farbstoffe auf der
Polymerkette abhängt. Die On-Off-Kinetik eines Ensembles von
Fluorophoren wurde in ein Modell für die Korrelationsfunktion
umgesetzt. Intensitätsfluktuationen im Bereich von 1 - 100
Millisekunden stammen von der Diffusion und den internen
Relaxationsmoden der Polymerketten. Ein Modell für die
Korrelationsfunktion der Schwerpunktsdiffusion für Polymerketten
mit kontinuierlicher Farbstoffverteilung entlang der Kontur wurde
entwickelt und mit experimentellen Daten von DNA-Fragmenten
unterschiedlicher Länge (1019 bp bis 7250 bp) bestätigt. Ausgehend
von den dynamischen Strukturfaktoren der Modelle von Rouse, Zimm
und semiflexibler Ketten in Lösung wurden Korrelationsfunktionen
für interne Relaxationen berechnet und an Messdaten mit Lambda-DNA
(48502 bp) angepasst. Über den Abstand der Farbstoffe entlang der
Polymerkontur werden Moden selektiert, deren Relaxationsdynamik
sich in die Autokorrelationsfunktion überträgt. Bei Abständen, die
viel größer als die Persistenzlänge der DNA sind, liefert das
angepasste Modell die erwarteten Werte für die Zimm-Dynamik.
Aktinfilamente mit Längen im Bereich von 100 Nanometern bis 50
Mikrometer wurden als Modellsysteme semiflexibler Polymere
untersucht. Für Filamentlängen, die kleiner als das
Beobachtungsvolumen sind, ist die Korrelationsfunktion bestimmt
durch die Schwerpunktsdiffusion. Für längere Filamente dominieren
die Biegemoden. Charakteristisch für diese Form der internen
Relaxation ist das zeitliche Skalenverhalten mit dem Exponenten
3/4. Theoretische Korrelationsfunktionen, die in Zusammenarbeit mit
Roland Winkler vom Forschungszentrum Jülich entstanden sind, zeigen
eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.
Erstmals wurden Korrelationsfunktionen einzelner Aktinfilamente im
halbverdünnten Bereich gemessen. Die charakteristische Abfallzeit
der Korrelationsfunktion als Maß für die Dynamik der Biegemoden
sinkt mit steigender Aktinkonzentration. Für Aktinkonzentrationen
von 0,01 mg/ml bis 1 mg/ml folgt die Abfallzeit einem Skalengesetz
tau ~ c^(-0,48 +- 0,03). Neben der Diffusion wurde in dieser Arbeit
die Dynamik in Strömungen untersucht. Zur Verfolgung von
gerichteten Transportprozessen wurden zwei Foki mit einem lateralen
Abstand von 5 Mikrometern erzeugt. Durch eine Kreuzkorrelation der
beiden getrennten Intensitätssignale lässt sich die Zeit bestimmen,
die die Teilchen zum Durchlaufen des Abstandes der beiden Foki
benötigen. Mit dieser mikroskopischen "Lichtschranke" wurden
Flussgeschwindigkeiten in einem 100 Mikrometer hohen Kanal mit
mikrometergenauer Ortsauflösung gemessen. Die Scherverdünnung einer
Hyaluronsäurelösung konnte anhand des Geschwindigkeitsprofils
nachgewiesen und eine kritische Scherrate von 285 +- 30 s^(-1) bei
einer Polymerkonzentration von 2,5 mg/ml bestimmt werden.