bei elektrischen Dipol ¨uberg¨angen. Somit stellt eine dennoch stattfindende Rela-xation des Singulett-Sauerstoffs in seinen Grundzustand einen magnetischen Di-pol ¨ubergang dar. Aufgrund der bei einem ¨Ubergang 1O2 −→ 3O2 stattfindenden Verletzung der oben genannten Auswahlregeln stellt der Singulett-Zustand einen bedeutenden metastabilen Zustand des O2-Molek ¨uls dar. Insbesondere besitzt das isolierte Singulett-Sauerstoff-Molek ¨ul mit τ(1O2 −→ 3O2) = 72 Minuten [K85] eine extrem lange Lebensdauer bez ¨uglich strahlender Relaxation. In Gasen, L ¨osungen und kondensierter Materie werden die Auswahlregeln aufgeweicht und es finden stoßinduzierte elektrische Dipol ¨uberg¨ange statt.
Jedoch ist die Lumineszenzquantenausbeute sehr klein, sie betr¨agt etwa 2·10−5 in schwerem Wasser (D2O) und circa 1·10−6 in Wasser (H2O) [LBG88]. Dies bedeutet zum Einen sehr schwache Lumineszenzsignale, zum Anderen, dass die strahlen-de Deaktivierung einen vernachl¨assigbaren Beitrag zur Relaxation einer gegebenen Konzentration [1O2](t) an Singulett-Sauerstoffmolek ¨ulen liefert, so dass die Lumi-neszenzleistung P1269L (t) bei 1269 nm f ¨ur alle Zeiten proportional zur momentanen Konzentration angenommen werden kann:
P1269L (t)∝[1O2](t) (3.3)
3.4 Chemischer und lumineszenztechnischer Nachweis von Singulett-Sauerstoff
Der hoch reaktive Singulett-Sauerstoff kann sowohl ¨uber chemische Reaktionen und seinen Reaktionspartner nachgewiesen werden als auch ¨uber seine Lumines-zenz, wenn Singulett-Sauerstoffunter Aussendung eines Photons in den Grundzu-stand ¨ubergeht. In diesem Abschnitt sollen die M ¨oglichkeiten zum Nachweis von Singulett-Sauerstoffaufgezeigt werden. Es werden dabei prinzipielle Vor- und Nach-teile dargestellt.
Zus¨atzlich soll noch auf die Rolle eines Quenchers als Nachweis f ¨ur Singulett-Sauerstoffeingegangen werden.
3.4.1 Chemischer Nachweis
Bei den chemischen Nachweismethoden nutzt man die F¨ahigkeit des hoch reak-tiven Singulett-Sauerstoffs aus, Molek ¨ule zu ver¨andern. Typischerweise entstehen
Kapitel 3. Theoretische Grundlagen
dabei Lipidhydroperoxide (LOOH). Diese entstehen beispielsweise als Endprodukt der Lipidperoxidation sowohl aus einfach als auch aus mehrfach unges¨attigten Li-piden [G89]. In Abbildung 3.5 ist eine typische Lipidperoxidation skizziert. Dabei
OOH
Abbildung 3.5:Schematische Darstellung der Lipidperoxidation.
wird die veresterte Linols¨aure (Doppelbindungen zwischen 9. und 10. bzw. 12. und 13. Kohlenstoffatom) des Lipides (vgl. Abschnitt 6.1.1) umgewandelt. Es wird eine der beiden Doppelbindungen aufgebrochen und das Sauerstoff-Molek ¨ul, unter Ent-stehung einer Hydroperoxid-Seitengruppe (OOH), am Kohlenstoffatom 10 oder 12 angelagert. Weist man nun diese Lipidhydroperoxide nach, kann man R ¨uckschl ¨usse auf das Vorhandensein von Singulett-Sauerstoffziehen.
Ein typische Nachweismethode ist der Einsatz der Thiobarbiturs¨aure (TBA) [G85].
Die saure L ¨osung (pH 3 - 4) mit den Lipidhydroperoxiden und der Thiobarbitus¨aure wird bei 100 ◦C erw¨armt, wobei haupts¨achlich Substanzen wie Malondialdehyd (MDA), Hexanal oder 4-Hydroxynonenal entstehen. Malondialdehyd bildet dabei mit der Thiobarbitus¨aure einen Komplex, der photometrisch gemessen werden kann.
Die photometrische Messung erfolgt bei zwei Wellenl¨angen (520 nm und 535 nm).
Die Differenz der photometrischen Ergebnisse dient zur Auswertung mittels Eich-kurve, woraus dann der MDA-Gehalt abgeleitet werden kann. Vom MDA-Gehalt aus ist es m ¨oglich, auf den Lipidhydroperoxid-Anteil bzw. den Singulett-Sauerstoff-Anteil zur ¨uckzuschließen. Alternativ kann der Nachweis der Lipidhydroperoxide aber auch ¨uber die Massenspektroskopie (HPLC) geschehen [MMM04].
All diese Nachweismethoden haben jedoch einen entscheidenden Nachteil. Singu-lett-Sauerstoff wird nicht direkt nachgewiesen sondern ¨uber seine Folgeprodukte.
Dies hat zur Folge, dass das Ergebnis mehrdeutig sein kann. Es ist nicht auszuschlie-ßen, dass auch andere Subsatnzen in diesem komplexen System Lipidhydroperoxid erzeugen oder vernichten [G85]. Auch die Proportionalit¨at zwischen der Anzahl
3.4. Chemischer und lumineszenztechnischer Nachweis von Singulett-Sauerstoff
der Lipidhydroperoxide und vorhandenen Singulett-Sauerstoff-Molek ¨ulen ist nicht immer gleich. Im Idealfall muss immer genug reaktionsf¨ahiges Lipid vor Ort sein, um Lipidperoxidationen durchzuf ¨uhren. Sind alle Lipide aufgebraucht, erfolgt kein weiterer Nachweis f ¨ur Singulett-Sauerstoffmehr.
Diese ¨Uberlegungen zeigen, dass der chemische Nachweis von Singulett-Sauerstoff fehlerbehaftet ist und mit Vorsicht betrachtet werden muss. Fehlinterpretationen sind durchaus denkbar.
3.4.2 Nachweis ¨uber die Lumineszenz von Singulett-Sauerstoff
Eine bessere M ¨oglichkeit Singulett-Sauerstoffzu detektieren, ist der direkte Nach-weis ¨uber die Lumineszenz des Sauerstoffs. Dabei sendet der Singulett-Sauerstoff beim Zerfall in den Grundzustand ein Photon mit der Wellenl¨ange λ= 1269 nm aus, welches detektiert werden kann. Diese Lumineszenz-Detektion wird in dieser Arbeit verwendet und in Abschnitt 4.1 beschrieben.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass Singulett-Sauerstoffdirekt nachgewiesen wird. Auch ist die Proportionalit¨at zwischen der Anzahl der Singulett-Sauerstoff-Molek ¨ule im untersuchtem System und den tats¨achlich detektierten gew¨ahrleistet (vgl. Abschnitt 3.3).
Nachteilig wirkt sich die geringe Lumineszenzquantenausbeute aus. Dadurch ist das Signal sehr schwach und hochempfindliche IR-Detektoren sind notwendig. Die kurze Lebensdauer von Singulett-Sauerstoff in L ¨osung von wenigen µs erschwert zus¨atzlich die Detektion. Eine Fehlerquelle kann sein, dass die Phosphoreszenz von beteiligten Substanzen, z.B. der Photosensibilisatoren die Singulett-Sauerstoff erzeu-gen, das Lumineszenzsignal von Singulett-Sauerstoff¨uberlagern (siehe auch Anhang B) und somit zu Fehlinterpretationen f ¨uhren.
Ist man sich der Probleme, die bei der Detektion der Lumineszenz von Singulett-Sauerstoffauftreten k ¨onnen, bewusst, kann dieser direkte Nachweis von Singulett-Sauerstoff neue und detailliertere Erkenntnisse liefern als der indirekte Nachweis
¨uber chemische Reaktionsprodukte.
3.4.3 Natriumazid als Quencher
Ein Quencher ist eine Substanz, welche angeregte Zust¨ande eines anderen Stoffes deaktivieren kann. So kann durch die Anwesenheit eines Quenchers f ¨ur Singulett-Sauerstoff der Nachweis erbracht werden, dass das entsprechende
Lumineszenz-Kapitel 3. Theoretische Grundlagen
signal wirklich von Singulett-Sauerstoff stammt, indem durch den Quencher die Besetzung des Singulett-Zustands schneller entleert wird und deswegen das Lumi-neszenzsignal eine k ¨urzere Lebensdauer hat. In dieser Arbeit wurde Natriumazid (NaN3) als Quencher f ¨ur Singulett-Sauerstoff verwendet. Wegen seiner Effizienz, d.h. seiner großen Quenchingratenkonstante wird es oft als Werkzeug zum Nach-weis von Singulett-Sauerstoffverwendet (siehe z.B. [MWS97]). Hierbei ist jedoch zu beachten, dass NaN3zus¨atzlich die Singulett- und Triplettzust¨ande von Photosensi-bilisatoren zu quenchen vermag [B76].
Natriumazid dissoziiert in Wasser in ein Natriumkation Na+und in das, f ¨ur Singulett-Sauerstofffunktionelle, Azidanion N−3, das in Abbildung 3.6 dargestellt ist.
Natrium-Abbildung 3.6:Strukturformel des Azidanions. Dargestellt sind die drei mesomeren Struk-turen, die zu einer Stabilisierung f ¨uhren.
azid hat eine molare Masse von 65,01 g/mol und wurde von Sigma-Aldrich (Stein-heim, Deutschland) bezogen. Die Reinheit betr¨agt 99 %.