Photophysik der Dyade in Polystyrol

Zuerst wurden einzelne Zeitspuren der Dyaden-Moleküle aufgenommen. In Abbildung 6.11 sind zunächst typische Donor- und FRET-Zeitspuren der Dyade PAT aufgezeigt, die aus den Positionszuordnungen erstellt wurden. Da im FRET-Kanal und im Akzeptor-Kanal ähnliche Zeitspuren zu beobachten waren, ist in Abbildung 6.11 nur die Zeitspur des FRET-Kanals gezeigt. Die Belichtungszeit betrug 0,5 s (Auslesezeit = 0,06 s).

In Zeitspur I ist ausschlieÿlich TDI-Fluoreszenz zu beobachten (in rot dargestellt), wäh-rend in II zusätzlich Intensitätsblinken des TDI-Moleküls zu erkennen ist. Von Anfang bis Ende des Beobachtungszeitfensters ist der PDI-Fluorophor in Zeitspur VII zu be-obachten. In den übrigen Zeitspuren ist die TDI-Fluoreszenz von Beginn an zu sehen.

Nach Photobleichen eines TDI-Moleküls zeigt meist der PDI-Fluorophor Emission. Recht

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6.3. Vorexperimente zum Einsatz der Dyaden in der hochaufgelösten Mikroskopie

Abbildung 6.11: Die Auftragung der Intensitäten des PDI- und FRET-Kanals gegen die Zeit liefert typische Zeitspuren der Fluoreszenzintensität der PAT-Dyade im PS-Film bei 561 nm Anregung. In rot sind die TDI- und in grün die PDI-Intensitätszeitspuren der jeweiligen Dyaden dargestellt.

häug erschien das PDI-Signal ohne zeitliche Verzögerung nach Verschwinden der TDI-Fluoreszenz, allerdings war auch genauso häug eine Zeitspanne τ von mehreren Sekun-den zu beobachten.

In 85% der Fälle war anfänglich die Fluoreszenz von TDI zu sehen und in 15% der Fälle emittierte der PDI-Fluorophor von Anfang an. Die Fluoreszenz der Farbstoe wurde über 560 s verfolgt. Dabei wurde beobachtet, dass 61% der TDI-Fluorophore auch nach diesem Zeitintervall noch intakt waren. Bei 15% wurde nach dem TDI-Bleichen kein PDI-Signal beobachtet, während es bei 9% detektiert wurde.

Im Vergleich dazu wurde die Dyade Perylendiimid-3Phenyl-Terrylendiimid von Haase betrachtet.^[119] Generell war in seiner Arbeit die Photophysik der nicht-spaltbaren Dya-de im SubsekunDya-denbereich von Interesse. Perylendiimid-3Phenyl-Terrylendiimid wurDya-de in PMMA eingebettet und kontinuierlich mit einem 488-nm-Laser angeregt. Haase

be-6. Ergebnisse der Dyaden- Einzelmolekülexperimente

obachtete vorwiegend Zeitspuren mit primärer Fluoreszenz des Terrylens, gefolgt vom Bleichen des Perylens, was dazu führte, dass auch keine vom Terrylen ausgehende Emis-sion mehr beobachtet werden konnte. Weniger häug wurde hier der Fall beobachtet, dass der Terrylen-Akzeptor zuerst blich und daraufhin Perylen detektiert werden konn-te, bis dieser ebenfalls irreversiblem Photobleichen unterlag. Vergleicht man allerdings das Dendrimer Terrylendiimid-Perylendiimid(4) von Cotlet et al. mit der PAT-Dyade, stimmen deren Ergebnisse mit den hier vorgestellten überein.^[8] Sie beobachteten in den meisten Fällen ein Bleichen der Terrylendiimide, gefolgt von der Emission und dem Bleichen der Perylendiimide.

Zeitspanne zwischen Zeitpunkt des TDI-Bleichens und PDI-Erscheinens

Wie bereits erwähnt, wird die PDI-Fluoreszenz oft mit einer Zeitverzögerung nach dem TDI-Bleichen eingeschaltet. In Abbildung 6.12 ist ein Histogramm für die Längen dieser Zeitspanne τ gezeigt.

Abbildung 6.12: Zeitspanneτ zwischen Bleichen des FRET-Akzeptors und Erscheinen des FRET-Donors der PAT-Dyade im PS-Film.

Die Häugkeit der verschiedenen Zeitspannen sind in folgender Tabelle aufgelistet.

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6.3. Vorexperimente zum Einsatz der Dyaden in der hochaufgelösten Mikroskopie

Die meisten Zeitspannen benden sich also in einem Bereich unter 10 s. In der Lite-ratur lassen sich Ergebnisse von Einzelmoleküluntersuchungen zu längeren (über meh-rere Sekunden anhaltenden) Auszeiten von Perylen-, Terrylendiimiden und Perylendi-imid-Terrylendiimid-Dyaden in Polymeren nden. Nach Haase können in der von ihm untersuchten Dyade Perylendiimid-3Phenyl-Terrylendiimid kollektive Auszeiten im Mi-krosekundenbereich auftreten.^[120] Diese seien durch Übergänge des Akzeptors in den Triplettzustand T1 verursacht, welcher die Donor-Fluoreszenz eektiv quencht. Dieser Prozess wird als Singulett-Triplett-Annihilation bezeichnet. Aufgrund von Singulett-Tri-plett-Annihilation wird das Perylendiimid vom S1 - in den S0 - und das Terrylendiimid vom T1 - in einen TN -Zustand überführt. Als sich anschlieÿende Prozesse sind nun entweder die strahlungslose Relaxation des TN in den T1, das Intersystemcrossing des TN in den S0, oder aber direktes Bleichen aus dem TN möglich.

Bezogen auf das in dieser Arbeit untersuchte System bedeutet dies: Nach Anregung eines PDI-Moleküls erfolgt Energietransfer auf einen TDI-Chromophor, welcher sich daraufhin zunächst im S1 bendet und durch ISC in den T1 übergehen kann. Wird dann das PDI-Molekül erneut in den S1 angeregt, ndet Singulett-Triplett-Annihilation statt, dies hat den Übergang des TDI-Moleküls in den TN (und den des PDI in den S0) zur Folge. Durch strahlungslose Relaxation des TN in den T1 und folgender erneuter Singulett-Triplett-Annihilation kann so die Fluoreszenz beider unterdrückt werden. Im Anschluss unterliegt TDI dem direkten Bleichen aus dem TN. Daraufhin kann PDI wieder uoreszieren. Dies kann allerdings Zeitspannen von mehreren Sekunden nicht erklären.

Möglicherweise entsteht ein Dunkelzustand als Zwischenprodukt. Generell kann ein Dun-kelzustand unter anderem durch reversible photochemische Elektronenübertragung ent-stehen.^[121123]Für das von Haase et al. verwendete Perylenmonoimid, das an ein kleines Dendrit gekoppelt vorlag, bestand die mögliche Erklärung in einer Ausbildung von Ra-dikalkationen. Diese Radikalkationen entstehen durch elektronische Tunnelprozesse und könnten zu Auszeiten über mehrere Sekunden führen.^[124]

6. Ergebnisse der Dyaden- Einzelmolekülexperimente

Lebensdauern von PDI-Molekülen innerhalb der Dyade

Mit Lebensdauer ist hier die Zeit bis zum Photobleichen des Farbstoes gemeint, also die Zeitspanne, während der ein Fluoreszenzsignal detektiert werden kann. Ausgehend von den Messungen der PAT-Dyade in PS250000 aus Abschnitt 6.3.1 wurden Häugkeits-verteilungen der entsprechenden PDI-Lebensdauern erstellt. Diese Verteilungen, bezogen auf den Zeitpunkt, an dem PDI zu emittieren beginnt, sind in Abbildung 6.13 dargestellt.

Abbildung 6.13: PDI-Lebensdauer des freien PDIs (Rot) und PDI-Lebensdauer inner-halb der PAT-Dyade (Blau) und deren mono- bzw. biexponentielle Anpassungen.

Die Lebensdauerkurve der freien PDI-Fluorophore konnte mit einem exponentiellen Zer-fall erster Ordnung angepasst werden, woraus sich eine durchschnittliche Lebensdauer von 284 s ergab. Die Kurve des PDI innerhalb der Dyade konnte nicht zufriedenstellend mit monoexponentiellem Zerfall angenähert werden, woraufhin ein biexponentieller Zer-fall angenommen wurde, der die zwei Lebensdauern t1 =4,7 s und t2 =54,0 s aufwieÿ, wobei die Amplitude von t₂ doppelt so groÿ ist wie die von t₁. Nach Thompson et al.

besitzen diese Lebensdauern oft keinen monoexponentiellen Zerfall.^[125] Möglicherweise werden hier zwei Lebensdauern aufgrund von irreversiblem Bleichen und Elektronenab-gabe, die zu Blinken mit langen Auszeiten führt, gemessen. Verglichen mit der Lebens-dauer des freien PDI sind die für das gebundene PDI gemessenen Wertet₁undt₂ deutlich

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6.3. Vorexperimente zum Einsatz der Dyaden in der hochaufgelösten Mikroskopie

geringer. Die kürzeren Lebensdauern sind auf die bereits erfolgten Anregungszyklen des PDI während der TDI-Detektion zurückzuführen. Es nden auch während der Beobach-tung des uoreszierenden TDI irreversible Übergänge des PDI in Dunkelzustände statt.

Dies wird auch in den ermittelten 15% der Zeitspuren, die zuerst TDI-Fluoreszenz zeigen und nach Bleichen des TDI kein PDI-Signal aufweisen, da PDI bereits ebenfalls gebleicht ist, deutlich (siehe Abschnitt 6.3.1).

Gesamtzahl der PDI-Moleküle innerhalb des Films

Ausgehend von den Messungen der PAT-Dyade in PS250000 aus Abschnitt 6.3.1 wur-de die zeitliche Entwicklung wur-der Gesamtzahl wur-der uoreszierenwur-den PDI-Molekülhälften ermittelt. Hierfür wurde die Zahl der über die gesamte Filmlänge auftretenden uores-zierenden PDI-Moleküle aufsummiert, es ergeben sich die in Abbildung 6.14 gezeigten Kurven. Es entstehen während der kompletten beobachteten Zeit uoreszierende

PDI-Abbildung 6.14: Zeitlicher Verlauf der Gesamtzahl an uoreszierenden PDI während des Beobachtungszeitraumes des mit der PAT-Dyade dotierten Poly-styrollms.

Moleküle. Für die theoretische Fortführung der Zahl an uoreszierenden PDI wurde von einem PDI-Anteil im ersten Bild von 15% (siehe Abschnitt 6.3.1) und einem monoex-ponentiellen Anstieg ausgegangen. Der monoexponentielle Anstieg ergab sich aus dem

6. Ergebnisse der Dyaden- Einzelmolekülexperimente

monoexponentiellem Zerfall der TDI-Lebensdauer von etwa 852 s. Die Zahl an uores-zierenden PDI in der Dyade hat also nach etwa 4000 s ihr Maximum erreicht. Durch die groÿe Stabilität des TDI-Chromophors innerhalb der Dyade verteilen sich die Zeit-punkte, an denen PDI-Fluoreszenz erscheint, über einen relativ groÿen Zeitbereich. Dies trägt dazu bei, dass weniger PDI-Moleküle zum selben Zeitpunkt emittieren und wird ausführlicher in Abschnitt 6.3.2 diskutiert.

Anzahl der uoreszierenden PDI-Moleküle pro Bild

Auf Grundlage der aufgenommenen Daten aus Abschnitt 6.3.1 wurde die Anzahl der emittierenden PDI-Fluorophore in jedem einzelnen Bild betrachtet. In Abbildung 6.15 ist zu erkennen, dass die Anzahl der freien PDI-Moleküle exponentiell abnimmt. Dieser Zerfall wurde erwartet und gleicht dem der PDI-Lebensdauer.

Abbildung 6.15: Anzahl der freien, uoreszierenden PDI (Rot) und Anzahl der uo-reszierenden PDI innerhalb der PAT-Dyade (Blau) pro Bild.

Die Anzahl der PDI-Moleküle in PAT nimmt zunächst bis etwat = 100s recht stark ab und bleibt dann annähernd konstant. Der Abfall resultiert hauptsächlich aus dem hohen Anteil an anfänglich emittierenden PDI-Molekülen von 15% und den Lebensdauern des PDI innerhalb von PAT (t₁= 4,7 s undt₂ = 54,0 s). Es werden in diesem Zeitbereich nur wenige TDI-Fluorophore gebleicht, daher spielt das Hinzukommen von uoreszierenden PDI-Molekülen nur eine kleine Rolle. Ab ca. 100 s bestimmen die TDI- (t = 852 s)

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6.3. Vorexperimente zum Einsatz der Dyaden in der hochaufgelösten Mikroskopie

und die PDI-Lebensdauern die Anzahl der uoreszierenden PDI-Moleküle. Wie sich die Anzahl der uoreszierenden PDI-Fluorophore pro Bild auf die Eignung der Dyade zur hochauösenden Mikroskopie auswirkt, wird im folgenden Abschnitt erläutert.