Das LaserIMD (Laser induced magnetic dipole)-Experiment basiert darauf, den Pumppuls, wie er bei DEER-Messungen verwendet wird, durch einen Laserpuls zu ersetzen. Die beobachtete Spezies ist wieder ein persistentes Radikal, z. B. ein Nitroxid. Es bietet einige Vorteile gegen¨uber klassischen Methoden zur Abstandsbestimmung, wie z. B. DEER f¨ur doppelt nitroxid-markierte Makromolek¨ule. Das Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis gewinnt durch die folgenden Faktoren:
durch den Laserpuls kann das komplette Triplettspektrum angeregt werden und zur Dipol-Dipol-Wechselwirkung mit den Nitroxiden bei-tragen. F¨ur doppelt spinmarkierte Makromolek¨ule ergibt sich theore-tisch eine Modulationstiefe von λ = 1 und damit ein Faktor zwei im Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis;
das Experiment kann bei der Resonatorfrequenz betrieben werden und damit das Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis um einen Faktor zweieinhalb verbessern;
Mikrowellenpulse k¨onnen nahezu beliebig kurz gew¨ahlt werden, wo-mit ein gr¨oßerer Teil des Nitroxidspektrums beobachtet werden kann.
Halbiert man die Pulsl¨angen der Beobachterpulssequenz gewinnt man einen Faktor zwei im Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis;
es ist nur eine Zwei-Pulssequenz n¨otig, liefert aber trotzdem totzeitfreie Messergebnisse.
Durch die erwartete Verbesserung im Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis kann ei-ne Absch¨atzung des messbaren Abstandes im Vergleich zu herk¨ommlichen Nitroxid-Nitroxid-DEER-Messungen gemacht werden. Diese Absch¨atzung er-folgt unter der Annahme konstant gehaltener Konzentration. Um eine vern¨ unf-tige Abstandsinformation aus den experimentellen Daten zu bekommen, muss die L¨ange der dipolaren Entwicklungszeit der Gr¨oße des zu messenden Ab-standes angepasst sein [93]. F¨ur ein protoniertes Makromolek¨ul in einer deu-terierten L¨osungsmittelmatrix kann eine T2-Zeit von 6 µs angenommen wer-den. Verglichen mit der dipolaren Entwicklungszeit einer DEER-Messung an einem Modellsystem [94], w¨are mittels des LaserIMD-Experiments ein Ab-stand von etwa 11 nm im X-Band m¨oglich. F¨ur ein deuteriertes Makromolek¨ul in einer deuterierten L¨osungsmittelmatrix (T2 = 28µs, siehe [18]) w¨are sogar ein Abstand von etwa 16 nm messbar.
5.4 LASER IMD 85
Vor der eigentlichen LaserIMD-Messung muss ¨uberpr¨uft werden, ob sich der Laserpuls auf das ESR-Signal der Nitroxidmolek¨ule auswirkt, um die Mes-sergebnisse der LaserIMD-Experimente korrekt zu interpretieren. In Abbil-dung 5.24 sind T2-Messungen an einer homogenen L¨osung mit und ohne Lichtanregung gezeigt. Das Experiment wurde mit einer Pulssequenz auf-genommen, wie sie in Abbildung 5.13 zu finden ist. Es zeigt sich, dass die MTSL-Echointensit¨at bei eingestrahltem Laserpuls abnimmt, allerdings oh-ne Einbuße in der T2-Zeit, weshalb der Effekt nicht auf eine Wechselwirkung mit den angeregten Anthracenmolek¨ulen zur¨uckzuf¨uhren ist. Die MTSL-Molek¨ule werden nicht zerst¨ort, da die Echointentensi¨at nach Ausschalten des Lasers wieder den urspr¨unglichen Wert annimmt. Eine m¨ogliche Erkl¨arung f¨ur diesen Effekt w¨are die Beeinflussung der Resonatoreigenschaften durch die starke Lasereinstrahlung, z.B. durch absorbierende Verunreinigungen im Resonator.
0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0
2t [ n s ]
Abbildung 5.24: MTSL-T2-Messungen an 5 mM Anthracen-d10 und 0,2 mM MTSL in Toluol-d8, Messparameter siehe Kapitel 6.6.2. Schwarze Kurve: La-serlicht aus. Rote Kurve: LaLa-serlicht ein. Gr¨une Kurve: Laserlicht wieder aus.
86 5. OPTISCH ADRESSIERBARE SPINMARKER Die Pulssequenz f¨ur ein LaserIMD-Experiment ist in einer schematischen Darstellung in Abbildung 5.25 gezeigt. Die Hahn-Echo-Sequenz adressiert mit m¨oglichst harten Pulsen, d.h. einer maximalen Anzahl Beobachterspins, die Nitroxidmolek¨ule. Der Laserpuls kann ¨uber die komplette Mikrowellen-pulssequenz verschoben werden.
Abbildung 5.25: Schematische Darstellung einer LaserIMD-Pulssequenz.
In Abbildung 5.26 ist eine konkrete Pulssequenz, wie sie f¨ur die vorliegen-de Arbeit verwenvorliegen-det wurvorliegen-de, mit angegebenen Parametereinstellungen ge-zeigt. Die Mikrowellenpulssequenz wird gegen den zeitlich festen Laserpuls verschoben. Wie sich herausgestellt hat, f¨uhrt eine zeitliche Fixierung des Laserpulses zu einem geringeren Jitter, d.h. einer geringeren zeitlichen Un-genauigkeit der Laserpulsposition. Der Vorteil bei dieser Methode ist, den Laserpuls durch die Mikrowellenpulssequenz laufen zu lassen, ohne dass es zu st¨orenden Effekten aufgrund Mikrowellenpuls¨uberlappung kommt. Auch bei reduzierter Laserpulsenergie (ca. 3 mJ pro Puls) kommt es bei Langzeit-messungen zu einem
”Ausbleichen“ der Probe, was zu einer Verringerung der angeregten Triplettmolek¨ule f¨uhrt. Durch Radikalbildung im L¨osungsmittel f¨arbt sich die Probe dunkel und Laserlicht kommt nur unzureichend an die Probe. Die Wahl des L¨osungsmittels kann diesen Prozess stark beeinflussen.
Toluol erweist sich hier als gutes L¨osungsmittel was die Lichtstabilit¨at an-geht. Aus diesem Grund wurden die Laserexperimente ¨uber viele Stunden in einem zweidimensionalen Aufnahmemodus durchgef¨uhrt. Jeder Scan (inklusi-ve Kernmodulationsausmittlung und 2-stufigem Phasenzyklus) der Messung wurde einzeln in der zweiten Dimension abgespeichert. Anschließend kann anhand der Signalintensit¨at ¨uberpr¨uft werden, wann das
”Bleichen“ eintritt und die Summationsgrenzen dementsprechend gesetzt werden.
5.4 LASER IMD 87
Abbildung 5.26: Schematische Darstellung einer LaserIMD-Pulssequenz mit eingetragenen Parametern wie sie f¨ur die experimentellen Daten in Abbildung 5.27 verwendet wurden.
In Abbildung 5.27 ist eine Simulation einer LaserIMD-Messung unter der An-nahme einer homogen verteilten Anthracen-MTSL-L¨osung gezeigt (schwarze Kurve). Die Spindichte der simulierten Kurve wurde willk¨urlich auf 0,46 mM gesetzt. Die Zeitachse beschreibt die Verschiebung der Pulssequenz mit t’
(siehe Abbildung 5.26). Man kann vier Bereiche unterscheiden:
a der Laserpuls kommt nach dem Echo und hat keinen Einfluss;
b der Laserpuls l¨auft zwischen Echo und π-Puls;
c der Laserpuls l¨auft zwischenπ- und π/2-Puls;
d der Laserpuls kommt vor demπ/2-Puls und hat keinen Einfluss.
Die rote Kurve in Abbildung 5.27 zeigt das experimentelle Resultat.
Der Vergleich wurde gezogen, um zu zeigen, dass die LaserIMD-Messung an dieser Probe nicht den Erwartungen entspricht. Dieser Umstand ist zwei Gr¨unden zuzuschreiben: zum einen der langen Triplettlebenszeit von Anthra-cen und zum anderen der ung¨unstigen Triplettniveaubesetzung nach Laser-pulseinstrahlung. Die Triplettlebenszeit von etwa 220 ms f¨uhrt bei der ver-wendeten Repetitionsrate von 50 Hz dazu, dass nur etwa 9 % der Anthracen-molek¨ule aus dem Singulett-Grundzustand wiederangeregt werden k¨onnen.
Die restlichen ca. 91 % stehen einer Anregung nicht zur Verf¨ugung, da sie boltzmannverteilt im Triplettzustand vorliegen. Von diesen 9 % besetzen et-wa 1/3 der Molek¨ule denmS = 0 Zustand und tragen somit nicht zur Dipol-Dipol-Wechselwirkung bei.
Die technischen und intellektuellen Grundsteine f¨ur diese vielversprechende Methode sind gelegt. Das Anthracenmolek¨ul hat sich nicht als guter Kan-ditat f¨ur die experimentelle Realisierung herausgestellt. Ein Triplettsystem mit g¨unstigeren Eigenschaften muss gefunden werden oder z. B. die Triplett-lebenszeit des Anthracens durch Hinzugabe geeigneter Reaktanden verk¨urzt werden.
88 5. OPTISCH ADRESSIERBARE SPINMARKER
- 0 , 5 0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0
0 , 5 0 , 6 0 , 7 0 , 8 0 , 9
1 , 0 d
c
b
V(t)/V(0)
t ' [m s ]
a
Abbildung 5.27: Vergleich normierter simulierter (schwarze Linie) und ex-perimenteller (rote Linie) LaserIMD-Kurven. Probe: 5 mM Anthracen-d10 und 0,2 mM MTSL in Toluol-d8, bei T = 50 K (Kryostat CF935 von Ox-ford Instruments), im X-Band (Spektrometer ELEXSYS E580, Resonator ER4118X-MS3), Lichtquelle: ExciStarXS 500, 3 Shots pro Punkt, SRT = 20001 µs, Summe ¨uber 1000 Scans, Gesamtmesszeit 20 Std, sonstige Para-meter siehe Abbildung 5.26. Simulation homogen verteilter Spins mit der Funktion make test data des DeerAnalysis2011-Programms [67]. F¨ur die Si-mulation wurde die Spinkonzentration auf 0,46 mM gesetzt.
5.5 NITROXID-TRIPLETT-DEER AM MODELLSYSTEM 89