Transient-Grating -Spektroskopie

Die Erzeugung optischer Koh¨arenzen im Femtosekundenbereich f¨uhrt oftmals zur Bildung von Wellenpaketen. Deren Dynamik gibt unter anderem die Schwingungs-struktur des angeregten Chromophors wieder. Solche Schwingungen ¨uberlagern beispielsweise das Signal des Photon-Echo Peakshifts und k¨onnen im Modell der Brown’schen Oszillatoren durch schwach ged¨ampfte Moden wiedergegeben wer-den. W¨ahrend die Oszillationen auf der Peakshift-Funktion nur schwer interpre-tierbar sind, stellt die Transient-Grating-Spektroskopie (TG) eine Methode dar, um die Wellenpaketdynamik eingehend zu studieren. Einen guten ¨Uberblick der M¨oglichkeiten dieser Technik geben Jooet al. [41] und Brown et al.[42].

Das Transient-Grating-Experiment unterscheidet sich vom 3-Puls Photon-Echo Experiment lediglich darin, daß die beiden ersten FelderE₁undE₂stets zeitgleich in die Probe eingestrahlt werden, d. h.t₁₂ = 0. In einem einfachen physikalischen Bild erzeugen die beiden Felder durch Interferenz ein transientes Gitter in der zu untersuchenden Probe, welches durch Relaxationsprozesse nach Einstrahlung wie-der zerf¨allt. Bei Einstrahlung eines dritten FeldesE₃ nach einer Verz¨ogerungszeit t₂₃ kommt es zur Beugung an diesem Gitter in die Raumrichtung ~k₂+~k₃ −~k₁. Ist die Bandbreite der Laserpulse gr¨oßer als der Energieabstand benachbarter Schwingungszust¨ande bzw. die Pulsdauer k¨urzer als eine Schwingungsperiode, so wird ein koh¨arentes Wellenpaket erzeugt. Die Dynamik des Wellenpakets f¨uhrt zu einer Modulation des gebeugten Feldes, was sich durch ausgepr¨agte Oszillationen auf demTransient-Grating-Signal bemerkbar macht.

Die Observable des TG-Experimentes l¨aßt sich wiederum durch das zeitintegrierte Betragsquadrat der Polarisation dritter Ordnung ausdr¨ucken:

I_TG(t₂₃) = Z ∞

0

|P⁽³⁾(t₁₂= 0, t₂₃, t)|²dt. (2.16)

Nach Brown et al.l¨aßt sich das TG-Signal in folgender Form darstellen [42]:

ITG(t23) =

Aexp

−t²₂₃ Γ²

+

3n−5 oder 3n−6

X

i=1

Bicos (ωit23+φi) +CRRotation

. (2.17) Darin wird dem sogenannten Koh¨arenz-Artefakt, einem Peak nahe t₂₃= 0, durch eine Gaußfunktion der Breite Γ und der Amplitude A Rechnung getragen. Die weiteren Terme beschreiben Signalbeitr¨age, die aus Schwingungen und Rotatio-nen des untersuchten Molek¨uls resultieren. B_i beschreibt die Amplitude der be-trachteten i-ten Schwingung der Frequenzen ωi und der Phase φi. Die Anzahl m¨oglicher Schwingungen in einem Molek¨ul mitn Atomen ist dabei 3n−5 f¨ur li-neare bzw. 3n−6 f¨ur gewinkelte Molek¨ule. Rotationen der Amplitude C werden mit dem verallgemeinerten Term RRotation ber¨ucksichtigt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Schwingungsstruktur des verwendeten Farb-stoffes HIDCI in reinem Wasser und in inversen Mizellen bestimmt (siehe Kapi-tel 6.4).

Kapitel 3

Biologische Modellsysteme

Eine Vielzahl biologischer Molek¨ule, wie z. B. Proteine, Steroide und insbesondere Phospholipide, besitzen amphiphilen Charakter. In Wasser bilden solche Molek¨ule spontan typische Molek¨ulanh¨aufungen, sogenannte Aggregate, aus. Hydrophobe und hydrophile Wechselwirkungen zwischen den Molek¨ulen liefern die thermo-dynamische Triebkraft zur Bildung und Aufrechterhaltung der Aggregatstruktu-ren durch Minimierung der Energie des Gesamtsystems. Aufgrund ihrer F¨ahigkeit komplexe Strukturen in Wasser auszubilden, werden sie als selbstorganisierende Systeme bezeichnet [9,43].

Abbildung3.1 zeigt schematisch drei typische Aggregatstrukturen. Mizellen stel-len deren einfachste Vertreter dar und bilden sich oberhalb einer sogenannten kri-tischen Mizellenkonzentration in Wasser spontan aus. Bekannt ist die Bildung von Mizellen aus Seifenmolek¨ulen und anderen Detergentien, aber auch in der Natur werden aus Lipiden bestehende Mizellen angetroffen. Die bekanntesten Vertreter von Molek¨ulaggregaten in der Natur sind jedoch die aus Lipid-Doppelschichten bestehenden Membranen. Sie dienen zur Abgrenzung von Zellen und Zellorga-nellen und stellen dar¨uberhinaus eine Matrix f¨ur eine Vielzahl unterschiedlich-ster Proteine dar. Bei der Fusion von Membranen k¨onnen sich unter gewissen Voraussetzungen Strukturen ausbilden, die Wasser in einer Art inversen Mizelle einschließen [43]. Eine andere Art von Wassereinschluß ergibt sich, wenn sich eine ausgedehnte Lipid-Doppelschicht zu einer Hohlkugel schließt. Solche Strukturen werden als Liposome oder Vesikel bezeichnet. Die ersten lebenden Zellen ¨ahnelten vermutlich solchen Vesikeln, deren w¨aßriger Inhalt durch die hydrophobe H¨ulle von der Außenwelt getrennt war. Das Studium der aus amphiphilen Molek¨ulen bestehenden Aggregatstrukturen nimmt eine zentrale Stellung in der modernen Biophysik ein, was aus ihrer nicht zu untersch¨atzenden Relevanz in der Natur resultiert [9,43].

H₂O H₂O

H₂O H₂O

Abbildung 3.1: Verschiedene Aggregate amphiphiler Molek¨ule in Wasser. Links:

Mizelle; Mitte: Inverse Mizelle; Rechts: Vesikel.

Auch wenn die biologischen Funktionen der Molek¨ulaggregate untereinander durchaus verschieden sind, so haben sie dennoch die Gemeinsamkeit, daß sich ihre unmittelbare Wasserumgebung von der des reinen Wassers unterscheidet. In der vorliegenden Arbeit soll daher die Solvatationsdynamik von Wasser an ty-pischen Grenzschichten biologischer Modellsysteme studiert werden. Auch wenn die in der Natur vorkommenden Verh¨altnisse weitaus komplexer als die hier un-tersuchten sind, so sollten dennoch prinzipielle Erkenntnisse f¨ur die Ver¨anderung der Solvatationsdynamik an biologischen Grenzschichten und damit einhergehend des Wasserstoffbr¨uckennetzwerkes gewonnen werden k¨onnen.

In den folgenden Kapiteln sollen die in Abbildung 3.1 dargestellten Modellsyste-me bez¨uglich ihrer physikalischen Eigenschaften charakterisiert werden. In die-sem Rahmen wird insbesondere auf Arbeiten zur Solvatationsdynamik in solchen Systemen eingegangen, wobei die wichtigsten Erkenntnisse kurz beschrieben wer-den. Um die gefundenen Dynamiken von Wasser in eingeschr¨ankten Systemen einordnen zu k¨onnen, werden zun¨achst Ergebnisse an reinem Wasser vorgestellt.

3.1 Wasser

Die der Solvatation zugrundeliegenden Dynamiken wurden in den letzten Jahr-zehnten in einer Vielzahl von Fl¨ussigkeiten eingehend untersucht [44]. Wasser stellt dabei aufgrund seiner biologischen Relevanz und seiner einzigartigen Eigen-schaften die interessanteste aller Fl¨ussigkeiten dar. Daher ist die Untersuchung der dynamischen und strukturellen Eigenschaften von Wasser eines der lebendig-sten Forschungsgebiete der physikalischen Chemie der letzten Jahrzehnte, sowohl in experimenteller [12,24,38,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60]

als auch in theoretischer Hinsicht [58,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,

3.1. WASSER 23 73,74,75,76,77]. Hervorzuheben sind Experimente in der Zeitdom¨ane, wie die Messung des optischen Kerr-Effektes (OKE) [45,46,47,48], des zeitabh¨angigen Stokes-Shifts (TDFSS) [24,49] und des Photon-Echo Peakshifts (3PEPS) [38,50].

Desweiteren wurde die THz-Spektroskopie zur Untersuchung der Wasserdynamik herangezogen [51,52]. Experimente in der Frequenzdom¨ane umfassen vorrangig die Raman- [53,54,55] und die IR-Spektroskopie [56,57,58,59,60]. Die Bestim-mung der Solvatationsdynamik ¨uber Fluoreszenzkonversionsexperimente [24,49]

und Photon-Echo-Techniken [38,50] steht dabei im Hinblick auf die in dieser Arbeit pr¨asentierten Techniken im Mittelpunkt des Interesses.

Da Wasser die schnellste aller bisher in Fl¨ussigkeiten beobachteten Dynamiken aufweist, dauerte es bis zur Etablierung ultraschneller Lasertechniken bis Barbara und Mitarbeiter 1988 zum ersten Mal die ultraschnelle Solvatation in Was-ser beobachten konnten [49]. Es handelte sich dabei um ein Fluoreszenzkon-versionsexperiment an dem Farbstoff 7-Dimethylamino-coumarin-4-acetat. Sie fanden ein biexponentielles Abklingen der Solvatationskorrelationsfunktion mit Zeitkonstanten von 0.16 ps (33 %) und 1.2 ps (67 %). Die Daten wurden mit dielektrischen Kontinuumsmodellen (DCM) [58, 66], einem Mean-Spherical-Approximation-Modell (MSA) [67,68] und molekulardynamischen Simulationen (MD) [69,70,71,72] verglichen. Auch wenn keine quantitative ¨Ubereinstimmung mit den experimentellen Daten gefunden wurde, so konnte zumindest das biexpo-nentielle Abklingverhalten und die Gr¨oßenordnung der gefundenen Zeitkonstan-ten wiedergegeben werden.

In der Folgezeit wurden die Experimente mit anderen Farbstoffsonden wieder-holt. So fanden Fleming und Mitarbeiter mit Coumarin 343, einer Variante von 7-Dimethylamino-coumarin-4-acetat, die eventuell auftretendeCharge-Transfer -Zust¨ande unterbindet, einen gaußf¨ormigen Inertialteil mit einer Zeitkonstan-ten um 50 fs, sowie ein biexponentielles AbklingverhalZeitkonstan-ten mit ZeitkonstanZeitkonstan-ten von 126 fs (20 %) und 880 fs (35 %) [24]. Der Inertialteil wurde durch einen Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen Librationsmoden einzelner Wassermolek¨ule zugeschrieben [71,78].

Eine Vielzahl an Experimenten und Simulationen konnten den beobachteten Iner-tialteil und die ermittelten Zeitkonstanten prinzipiell best¨atigen. Theoretische Arbeiten sagten dabei in der Regel jedoch eine noch schnellere Dynamik voraus.

So ist nach Maroncelli und Fleming [71] bzw. Bader und Chandler [73] ein ultra-schneller Anteil um 25 fs zu erwarten, der zudem eine Amplitude zwischen 70 % und 90 % aufweisen sollte. Auch die Arbeiten von Song und Chandler [74] sagen eine schnellere Solvatation voraus, als mit Hilfe der Methoden der Fluoreszenz-aufkonvertierung beobachtet werden konnte.

Daher wurde in j¨ungster Vergangenheit die Solvatationsdynamik von Wasser im 3-Puls Photon-Echo Peakshift Experiment untersucht. Fleming und Mitarbeiter beobachteten f¨ur den Farbstoff Eosin Y einen gaußf¨ormigen Inertialteil mit einer

Zeitkonstanten von 17 fs (73 %) und ein biexponentielles Abklingen mit 400 fs (15 %) und 2.7 ps (12 %) [38]. Damit wurde wie vorhergesagt eine Zeitkonstan-te unZeitkonstan-terhalb von 25 fs mit einer sehr großen Amplitude gefunden. Um jedoch die Peakshift-Funktion im Modell der Brown’schen Oszillatoren wiedergeben zu k¨onnen, mußte eine zus¨atzliche ¨uberged¨ampfte Mode mit einer Korrelationszeit von 8 ps k¨unstlich hinzugef¨ugt werden. Obwohl diese Diskrepanz noch nicht voll-st¨andig verstanden ist, kann sie vermutlich auf die doppelt negative Ladung des Eosin Y zur¨uckgef¨uhrt werden, welche die wassereigene Dynamik extrem stark beeinflußt [50].

Von V¨ohringer und Mitarbeitern wurde die Solvatationsdynamik des Farbstoffes HIDCI in Wasser mit der gleichen Technik untersucht [50]. Bis ca. 1 ps ergibt sich eine grobe ¨Ubereinstimmung mit den Ergebnissen von Fleming und Mit-arbeitern. Auf l¨angeren Zeitskalen sind allerdings erhebliche Abweichungen zu beobachten. Die Zeitkonstanten wurden zu 17 fs (60 %), 1 ps (19 %,) 7.5 ps (5 %) und 180 ps (16 %) bestimmt. In dieser Arbeit wurde keine zus¨atzliche Mode ben¨ o-tigt, um die Daten im Modell der Brown’schen Oszillatoren wiedergeben zu k¨ on-nen [79]. Durch eion-nen Vergleich einer Vielzahl verschiedenster Techniken konnten V¨ohringer und Mitarbeiter die in Wasser beobachteten Zeitkonstanten verschiede-nen Relaxationsfreiheitsgraden zuordverschiede-nen [45]. Die beobachtete 1 ps Kompoverschiede-nente wurde danach gehinderten Translationsmoden des Wassers zugeordnet, w¨ahrend die Zeitkonstante von 7.5 ps der Rotationsdiffusion individueller Wassermolek¨ule zugeschrieben werden konnte. Die Photon-Echo Peakshift Messungen wurden in der vorliegenden Arbeit mit der gleichen Farbstoffsonde wiederholt. Im Rahmen der Meßgenauigkeit wurden dabei die gleichen Zeitkonstanten gefunden. Kapi-tel 6.2 diskutiert die erhaltenen Zeitkonstanten im Detail.

Zusammenfassend l¨aßt sich sagen, daß die Solvatation in Wasser eine Vielzahl an Zeitskalen aufweist, die von kleiner 50 fs bis ca. 10 ps reichen. Zudem sind langsamere Zeitskalen zu beobachten, welche jedoch in Wasser weit weniger zur Solvatation beitragen als die ultraschnellen Komponenten. Vermutlich lassen sie sich auf die Dynamik des verwendeten Chromophors und/oder der kollektiven Rotationsdiffusion des Wassers zur¨uckf¨uhren.

Die Solvatation an biologischen Grenzschichten unterscheidet sich deutlich von der des freien Wassers und weist deutlich langsamere Zeitkomponenten auf, wie beispielsweise von Fleming und Mitarbeitern bei der Solvatation von Couma-rin 480 und CoumaCouma-rin 460 inγ-Cyclodextrinen gezeigt wurde [80]. Die Solvatation an ¨ahnlichen Grenzschichten wird im folgenden an ausgesuchten Modellsystemen beschrieben. Einen guten ¨Uberblick zur Solvatation in biologischen Umgebungen geben eine Vielzahl an Ver¨offentlichungen [81,82,83,84], an die sich die folgenden Ausf¨uhrungen orientieren.