Femtosekunden-Fluoreszenzspektroskopie photoisomerisierender Moleküle

Die zeitaufgel"oste Fluoreszenzspektroskopie stellt einen Zugang
zur Dynamik von Molek"ulen dar. Da schnelle molekulare Vorg"ange,
wie z.B. Isomerisierungen, innerhalb weniger 100 fs oder sogar
darunter ablaufen k"onnen, erfordert ihre Untersuchung Techniken,
die Zeitaufl"osungen in diesem Bereich erlauben. Elektronische
Me"sverfahren erreichen derartige Zeitaufl"osungen jedoch nicht.
Daher wird bei zeitaufgel"osten Fluoreszenzmessungen auf optische
Methoden zur"uckgegriffen. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die
Weiterentwicklung eines Me"ssystems f"ur die zeitaufgel"oste
Beobachtung von Fluoreszenzspektren molekularer Proben auf der
Basis des Kerr-Effekts vorgestellt. Nach Anregung der Proben mit
Laserimpulsen im ultravioletten oder sichtbaren Spektralbereich
kann bei einer Zeitaufl"osung von ca. 100 fs gleichzeitig eine
Messung "uber einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen
Ultravioletten bis ins nahe Infrarote durchgef"uhrt werden. Auf
dieser Grundlage wird die Fluoreszenz einer Reihe von Proben
untersucht, die nach optischer Anregung isomerisieren. Es handelt
sich hierbei um die Molek"ule 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol,
Bakteriorhodopsin und Proteorhodopsin. Das Push-Pull substituierte
Azobenzolderivat 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol (NA)
isomerisiert nach Photoanregung ebenso wie das unsubstituierte
Azobenzol. Trotz stark unterschiedlicher elektronischer Struktur
offenbart sich eine erstaunliche "Ahnlichkeit in der Dynamik beider
Molek"ule. Beide Systeme besitzen in der Emission ein "ahnliches
biphasisches Verhalten. F"ur NA wurden Zeitkonstanten von 0.08 ps
und 0.8 ps und ein verz"ogerter Anstieg der Fluoreszenz im
langwelligen Teil der Spektren bestimmt. Ein Unterschied zu
unsubstituiertem Azobenzol besteht in den um etwa den Faktor drei
k"urzeren Zeitkonstanten von NA. Der prim"are Schritt im
Photozyklus von Bakteriorhodopsin (BR) besteht in der
Isomerisierung des Retinalmolek"uls, welches als Chromophor dient.
W"ahrend die Zeitskalen dieser Isomerisierung aus transienten
Absorptionsexperimenten bereits bekannt sind, unterliegen die damit
assoziierten molekularen Prozesse weiterhin einer kontroversen
Diskussion. In den hier durchgef"uhrten Emissionsmessungen wurde
neben den bereits bekannten Zeitkonstanten von < 0.15 ps und
0.45 ps f"ur den Fall niedriger Anregungsdichten das erste Mal ein
dynamischer Stokes-Shift auf der Zeitskala von 0.2 ps entdeckt. Im
Falle hoher Anregungsdichten k"onnen die deutlichen "Anderungen der
zeitaufgel"osten Spektren Mehrphotonenabsorptionen zugeordnet
werden. Erst vor kurzer Zeit wurde das Proteorhodopsin (PR) als
neues Mitglied der Familie der rhodopsinartigen Proteine entdeckt.
Ebenso wie bei BR ist der prim"are Schritt des Photozyklus die
Isomerisierung seines Retinalmolek"uls. Hier wurden zum ersten Mal
zeitaufgel"oste Fluoreszenzmessungen an PR durchgef"uhrt. Es wurde,
wie auch bei BR, ein dynamischer Stokes-Shift gefunden. Im
Gegensatz zu BR besitzt PR in der Emission jedoch drei
Zeitkonstanten von < 0.15 ps, 0.45 ps und 4 ps. Die dritte
Zeitkonstante kann mit einem spektral dunklen Zwischenzustand
assoziiert werden.