5. Ergebnisse der Dyaden-Ensembleexperimente 53
5.4. Ensembleexperimente der PAT-Dyade
5.4. Ensembleexperimente der PAT-Dyade
Es wurde nun der Farbsto PPCy durch den photostabileren Farbsto TDI ausgetauscht.
Die Ergebnisse, die zu den optischen Eigenschaften der Farbstoe und der neuen Dyade PAT sowie deren Photospaltbarkeit erzielt werden konnten, sind im folgenden Kapitel dargestellt.
Die Messungen wurden diesesmal in Cyclohexan durchgeführt, dem Lösungsmittel, das bereits Zabadal et al. für die Abspaltung von 2,-5-Dimethylphenacylester als lichtemp-ndliche Schutzgruppe für Carboxylsäuren verwendet hatten.[52] Auÿerdem wurden die veresterten Farbstoe PDI-CO2Et und TDI-CO2Et als freie Farbstoe verwendet, die den Chromophoren innerhalb der Dyade noch näher kommen.
5.4.1. Photophysikalische Farbsto- und Dyadeneigenschaften
Absorptions- und Fluoreszenzspektren
Die Absorptions- und Fluoreszenzspektren der PAT-Dyade in Cyclohexan sind in Ab-bildung 5.11 gezeigt. Hier werden sie mit dem Spektrum der freien Chromophore PDI-CO2Et und TDI-CO2Et, einer 1:1 Mischung dieser freien Farbstoe und mit dem Me-thylphenacyl-Derivat 15 verglichen.
Abbildung 5.11: Links sind die Absorptionsspektren, rechts die Fluoreszenzspektren von PDI-CO2Et (Grün), TDI-CO2Et (Rot), einem 1:1 Gemisch aus PDI-CO2Et und TDI-CO2Et (Grau), des Methylphenacyl-Derivats 15 (Blau) und der PAT-Dyade (Schwarz) in Cyclohexan zu sehen.
Für die Fluoreszenzspektren wurde generell eine Anregungswellen-länge von 545 nm eingesetzt, nur TDI-CO2Et wurde mit 615 nm angeregt. Die Fluoreszenzspektren von PDI-CO2Et, TDI-CO2Et und deren Gemisch wurden auf eins normiert.
5. Ergebnisse der Dyaden-Ensembleexperimente
PDI-CO2Et und TDI-CO2Et zeigen die typischen Banden mit Maxima bei 569 bzw.
660 nm.[25] Der photolabile Linker absorbiert ausschlieÿlich Licht der Wellenlänge un-ter 330 nm. Das Absorptionsspektrum der PAT-Dyade entspricht der Summe der drei Chromophorspektren, wobei die 0-0-Übergänge um 5 nm (von 569 auf 574 nm) bzw.
16 nm (von 660 auf 676 nm) bathochrom verschoben sind. Der Absorptionskoezient des TDI-CO2Et beträgt 69000 M−1cm−1. Von der PAT-Dyade konnte aufgrund der ge-ringen vorhandenen Menge kein Absorptionskoezient ermittelt werden. In dieser Dyade betrug das Verhältnis der Höhe der PDI- und TDI-Banden innerhalb der Dyade den-selben Wert wie die Banden des 1/1 Gemisches der freien Farbstoe. Daher wurden die Absorptionskoezienten der Dyadenübergänge den freien Farbstoen gleich gesetzt.
Je nach Anregungswellenlänge und damit der Wahrscheinlichkeit der verschiedenen Chro-mophore, das Anregungslicht zu absorbieren, kann unterschiedliches photophysikalische und photochemische Verhalten beobachtet werden. Mit Anregungslicht der Wellenlän-ge über 600 nm wird ausschlieÿlich der Terrylendiimidchromophor der Dyade anWellenlän-geregt.
Dies führt zur Emission mit einem Intensitätsmaximum bei 699 nm. Im Vergleich zum Fluoreszenzspektrum von TDI-CO2Et entspricht dies einer bathochromen Verschiebung von 18 nm. Licht mit Wellenlängen unter 600 nm kann vom Perylen- und Terrylenchro-mophor absorbiert werden. Aufgrund von FRET ist im Fluoreszenzspektrum jedoch hauptsächlich die TDI-Emission beobachtbar. UV-Licht der Wellenlänge unterhalb von 330 nm kann von allen Chromophoren absorbiert werden. Bei Absorption eines Photons durch den Linker besteht die Möglichkeit der Spaltung.
Ermittlung des Försterradius und der FRET-Ezienz innerhalb der Dyade
Mit einer PDI-Quantenausbeute von 0,95, einem TDI-Absorptionskoezienten von 69000 M−1cm−1 und den beiden Spektren ergibt sich, der Vorgehensweise des Kapitel 5.2.1 und 5.3.1 entsprechend, in apolarem Lösungsmittel ein Försterradius von 6,8 nm.
Durch die kurzkettige ( R0) intramolekulare Verknüpfung, die wiederum höchstens 3 nm beträgt, ist es auch hier abzusehen, dass innerhalb der Dyade eine FRET-Ezienz von > 99% besteht, wie aus den Fluoreszenzspektren des PDI-CO2Et und dem PDI-Teil des Dyadenspektrums hervorgeht.
5.4.2. Spaltungsexperimente
Zur Untersuchung der Spaltung wurden Absorptions- und Fluoreszenzspektren einer ho-mogenen Lösung der PAT-Dyade in Cyclohexan (c = 1.4·10−6 M) aufgenommen und dies nach verschiedenen Bestrahlungsdauern wiederholt. Es wurden 3 ml der Lösung in einer Fluoreszenzküvette mit 311 nm bei einer Intensität von 5,2 mW bestrahlt. Der beleuchtete Bereich betrug 1 cm2. Mehrstündiges Bestrahlen der Dyade zeigte keine
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5.4. Ensembleexperimente der PAT-Dyade
Veränderung in den Absorptionsspektren. In Abbildung 5.12 (links) ist das Fluores-zenzspektrum der Dyade bei t = 0 (Schwarz), die zeitliche Entwicklung über 20 Stun-den Bestrahlung (Graustufen) und als theoretischer Grenzwert das Spektrum des PDI-CO2Et/TDI-CO2Et Gemischs (Hellgrau) aus Abbildung 5.11 zu erkennen. Die Fluores-zenzspektren (aufgenommen bei einer Anregungswellenlänge von 545 nm) zeigten eine kontinuierliche Abnahme der TDI-Bande bei gleichzeitiger Zunahme der PDI-Bande.
Nach der Photospaltung diundieren FRET-Donor und FRET-Akzeptor unabhängig voneinander, während sich der Abstand zwischen ihnen kontinuierlich vergröÿert, wor-aufhin keine Energieübertragung mehr möglich ist.
Abbildung 5.12: Links: Fluoreszenzsspektren der homogenen Dyaden-Lösung in Cy-clohexan aufgenommen nach verschiedenen Bestrahlungsdauern mit 311 nm. Rechts: Intensitätsentwicklung der Fluoreszenzmaxima des FRET-Donors (Grün) und FRET-Akzeptors (Rot) mit der Bestrah-lungszeit. Beide Intensitätsentwicklungen wurden mit monoexponen-tiellen Kurven mit einer Zeitkonstante von 1,66 h angenähert. Erstellt nach[56]
Die photochemische Quantenausbeute für die Spaltung der Dyaden ist deniert als die Wahrscheinlichkeit der Spaltung nach Absorption eines Photons durch den Linkerchro-mophor. Die Spaltungsquantenausbeute φcl von PAT konnte mit Hilfe der sich ändern-den Fluoreszenzintensitäten des PDI- und TDI-Fluorophors ermittelt werändern-den. Hierfür wurden die Maxima der PDI- bzw. TDI-Banden (bei 597 bzw. 700 nm) über die Be-strahlungszeit aufgetragen und mittels monoexponentieller Kurven angenähert (siehe rechte Seite der Abbildung 5.12). Dies ergab eine Zeitkonstante von 1,66 Stunden.
Aufgrund der Photospaltung nimmt die Dyadenkonzentration cDyade mit der Zeit ab:
dcDyade
dt =−IU V · F
V · 1−10−A
·φcl (5.5)
5. Ergebnisse der Dyaden-Ensembleexperimente
Dabei ist F die bestrahlte Fläche auf dem Eintrittfenster der Küvette, V das Volumen der bestrahlten Lösung, A die Absorbanz bei der Bestrahlungswellenlänge 311 nm und IU V die Intensität der UV-Lampe. Der Term in Klammern entspricht dem prozentua-len Anteil der absorbierten Lichtenergie und lässt sich gemäÿ des Lambert-Beerschen Gesetzes umformen:
dcDyade
dt =−IU V · F
V · 1−10−cd
·φcl (5.6)
Da niedrige Konzentrationen verwendet wurden undcd1, ist eine Reihenentwicklung unter Vernachlässigung der Terme höherer Ordnung möglich und man erhält:
lncDyade
c0 =−IU V · F
V ·ln 10··d·φcl·t. (5.7) Mit den Werten vonIU V = 1,37·10−8 Einstein cm−2 s−1 (durch Aktinometrie ermittelt), F = 1 cm2, V = 3 cm3, d = 1 cm und = 5,4 · 105 cm2 mol−1 von PAT bei 311 nm und der ermittelten Zeitkonstante von 1,66 h für den Spaltungsprozess wird hier eine Spaltungsquantenausbeute von 0,03 erhalten.
Dieser Wert liegt etwa eine Gröÿenordnung unter der Spaltungsquantenausbeute des photolabilen Linkers, wie sie von Zabadal et al. beschrieben ist (0,22).[52] Dieser Un-terschied beruht vermutlich auf photophysikalischen Wechselwirkungen zwischen ange-regtem Linker und den beiden Fluorophoren. Solch eine vorhandene Wechselwirkung spiegelt sich auch in den spektralen Verschiebungen der Fluorophore wider (s. Abbil-dung 5.11).
Die Bestrahlung der Dyade mittels UV-Licht (hier 311 nm) liefert zwei Spaltungspro-dukte, PDI-Carbonsäure und TDI, welches den nun als Cyclopentenon vorliegenden Linker trägt (s. Abbildung 5.13). Dabei konnte das Vorhandensein von PDI-CO2H mit-tels Dünnschichtchromatographie veriziert werden. Die Struktur des in Abbildung 2.8 gezeigten TDI-Derivats wurde aus dem Spaltungsmechanismus hergeleitet.
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5.4. Ensembleexperimente der PAT-Dyade
Abbildung 5.13: Spaltungsprodukte nach UV-Bestrahlung der PAT-Dyade.