Verbesserung der Sensitivit¨ at

Q-Band

Eine h¨ohere ESR-Sensititvit¨at verspricht man sich durch die Wahl h¨oherer Mikrowellenfrequenzen bzw. Magnetfelder. H¨ohere Frequenz bedeutet auch kleinere Resonatorinnendurchmesser, was zu einer diffizileren Lichteinkop-plung f¨uhrt. Im Q-Band bei 34 GHz arbeitet man mit 1 mm-Probenkapillaren.

Dieses Unterkapitel zeigt die Realisierung optisch angeregter Messungen im Q-Band. Die Lichtfasereinkopplung in eine Q-Band-Kapillare ist in Kapitel 6.4 gezeigt.

1 1 2 2 0 1 1 5 5 0 1 1 8 8 0 1 2 2 1 0 1 2 5 4 0 1 2 8 7 0

B [ G ]

*

Abbildung 5.18: Cw-ESR-Messung einer Probe 2,75 mM-Anthracen-d₁₀ in Toluol-d₈, Messparameter siehe Kapitel 6.6.4. Das Sternchen markiert das Radikalsignal des L¨osungsmittels entstanden durch die Lichteinstrahlung [92].

In Abbildung 5.18 ist ein typisches Q-Band-cw-Spektrum von Anthracen in Toluol mit Lichtanregung zu sehen. Abstandsmessungen im Q-Band sind durch die geringere Bandbreite des Resonators stark limitiert. In diesem Fall wurde der Resonator EN5107D2 von Bruker verwendet; dieser besitzt eine Bandbreite von etwa 100 MHz. Es ist klar, dass ein Frequenzabstand wie im X-Band hier nicht erreicht werden kann. In Abbildung 5.19 ist ein EDFS an einer Anthracen-MTSL-L¨osung in Toluol mit Lichtanregung gezeigt, an

5.3 NITROXID-TRIPLETT-DEER 79 dessen Beispiel die spektralen Positionen markiert sind, die f¨ur die Pump-bzw. Observerpulssequenzen genutzt werden. Nach wie vor wird ein Anthra-cenecho beobachtet, allerdings kann an Experimenten ohne Lichtanregung gezeigt werden, dass noch ein Anteil MTSL-Echo beitr¨agt. F¨ur die DEER-Messungen bedeutet das, dass als Referenz immer Abstandsmessungen ohne Lichteinstrahlung bei gleichem Parameterset aufgenommen werden m¨ussen.

1 1 8 0 0 1 1 9 0 0 1 2 0 0 0 1 2 1 0 0 1 2 2 0 0 1 2 3 0 0 1 2 4 0 0 1 2 5 0 0

B [ G ] O b s e r v e r f r e q u e n z

P u m p f r e q u e n z

1 y 2 y

M T S L

Abbildung 5.19: EDFS einer Probe aus 5 mM Anthracen-d₁₀ und 0,2 mM MTSL in Toluol-d₈, Messparameter siehe Kapitel 6.6.3. Aufgrund der Opti-mierung der Messparameter auf das Triplettecho, ist das MTSL-Spektrum deformiert. In rot markiert sind die spektralen Positionen, an denen die Pump-bzw. Observerpulssequenz angelegt wird [92].

In Abbildung 5.20 sind die Ergebnisse von Vierpuls-DEER-Messungen an homogenen L¨osungen zu sehen. Die Positionen der Pump- bzw. Beobach-terpulssequenz wurden dabei wie in Abbildung 5.19 gew¨ahlt. Die schwarze Kurve wurde mit Lichtanregung gemessen. Es zeigt sich ein deutlicher Effekt auf den Abfall der DEER-Kurve verglichen mit der roten Kurve, die ohne Lichtanregung gemessen wurde. Aufgrund des geringen Frequenzabstandes

∆ν = 80 MHz zeigt auch die rote Kurve den Verlauf einer DEER-Kurve, da auf der spektralen Position der Beobachterpulssequenz noch MTSL-Spins adressiert werden. Der Unterschied zwischen der roten und der schwarzen Kurve ist der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen Anthracen- und MTSL-Spins zuzuschreiben.

80 5. OPTISCH ADRESSIERBARE SPINMARKER Das Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis bei einer Akkumulationszeit von ca. 12 Stun-den ist dem der Messung im X-Band deutlich ¨uberlegen.

- 0 , 2 0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 1 , 2

Abbildung 5.20: Normierte DEER-Messungen an 5,5 mM Anthracen-d₁₀und 0,2 mM MTSL in Toluol-d8, Messparameter siehe Kapitel 6.6.1. Rote Kurve ohne Lichtanregung, schwarze Kurve mit Lichtanregung. Spektrale Position der Pump-bzw. Beobachtersequenz siehe Abbildung 5.19. Die Anpassung an die experimentellen Daten erfolgt unter der Annahme dreidimensional homo-gen verteilter Spins [92].

Optimierung der Lichtanregung

Von Seiten der ESR-Spektroskopie konnte die Sensitivit¨at der Methode durch die Wahl einer h¨oheren Messfrequenz verbessert werden. Der Bereich der op-tischen Anregung ist noch ausbauf¨ahig. Das Emissionspektrum der Quecksil-berhochdrucklampe LAX1000 besteht aus diversen Banden ¨uber einen brei-ten Wellenl¨angenbereich, der relativ gut mit dem Absorptionsspektrum von Anthracen ¨ubereinstimmt (siehe Abbildung 6.1 in Kapitel 6.3.1). Eine ge-zielte, hochenergetische Anregung der Absorptionspeaks w¨are w¨ unschenswer-ter. Um die Lichtabsorption von Anthracen optimal auszunutzen wurde ein Excimer-Laser mit Xenonfluorid-Gas gew¨ahlt, der bei einer Wellenl¨ange von 351 nm Licht emittiert, was sehr gut den absorptionsst¨arksten Peak im An-thracenspektrum anregt. F¨ur die folgenden Messungen wurde ein ExciStarXS 500 Laser der Firma Coherent verwendet (f¨ur Details siehe Kapitel 6.3.2).

5.3 NITROXID-TRIPLETT-DEER 81 Die Experimente k¨onnen dementsprechend zeitaufgel¨ost erfolgen. Dabei wird der Laser ¨uber das Spektrometer mit den Mikrowellenpulsen koordiniert.

Die Synchronisation ist in Kapitel 6.3.3 n¨aher erkl¨art. F¨ur ein grundlegen-des Hahn-Echo-Experiment ist die Pulssequenz schematisch in Abbildung 5.4 dargestellt.

Abbildung 5.21: EDFS einer 5 mM Anthracen-d₁₀ und 0,2 mM MTSL in Toluol-d₈ Probe, Messparameter siehe Kapitel 6.6.3. In rot markiert sind die spektralen Positionen an denen die Pump- bzw. Observerpulssequenz angelegt wird.

In Abbildung 5.21 ist der EDFS einer homogenen Anthracen-MTSL-L¨osung mit Laseranregung zu finden. Die optische Einstrahlung durch den mit der Mikrowellenpulssequenz synchronisierten Excimer-Laser, sowie die Abwei-chung von der Boltzmann-Situation, f¨uhren zu einer deutlichen Verbesserung des Anthracen-Triplett-Signals (im Vergleich mit Abbildung 5.15). In diesem Fall ist es geschickter, auf der ’2y’-Linie des Anthracenspektrums zu beob-achten, da der Frequenzabstand zum MTSL-Maximum kleiner ist als f¨ur die

’1y’-Linie (siehe rote Pfeile in Abbildung 5.21). Der Abstand betr¨agt ∆ν ≈ 644 MHz. F¨ur eine DEER-Messung mit laserangeregten Anthracenmolek¨ulen wird folgende Pulssequenz verwendet:Laser−∆t−π/2(ν_obs)−τ₁−π(ν_obs)− t⁰−π(ν_pump)−(τ₁+τ₂−t⁰)−π(ν_obs)−τ₂−Echo, welche schematisch auch in Abbildung 5.22 gezeigt ist.

82 5. OPTISCH ADRESSIERBARE SPINMARKER

Abbildung 5.22: Schematische Darstellung einer DEER-Pulssequenz mit zeit-lich koordiniertem Laserpuls.

Die Ergebnisse sind der Abbildung 5.23 zu entnehmen. Sie zeigt zwei DEER-Messungen mit gleichem Parametersatz an unterschiedlichen Proben: An-thracen (5 mM) einmal mit (0,2 mM) und einmal ohne MTSL. Ohne MTSL ist auch an einer reinen Anthracenprobe ein Abfall der DEER-Kurve zu erkennen, was den angeregten Anthracenmolek¨ulen durch den Pumppuls zugeordnet werden kann. Der Unterschied zu der Messung mit MTSL ist signifikant, was der Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen Anthracen- und MTSL-Molek¨ulen zugeschrieben werden kann. ¨Uber einen Fit der Kurve (sie-he Gleichung 2.5) kann eine Aussage ¨uber die lokale Spinkonzentration k gemacht werden. Auch ohne Kalibration kann das Verh¨altnis der k-Werte bestimmt werden. Die effektive lokale Konzentration der Anthracen/MTSL-Probe ¨ubersteigt die der Anthracenprobe um Faktor 3,4. Das molare Verh¨ alt-nis beider Proben betr¨agt 1,04. Ber¨ucksichtigt man, dass nur etwa jedes f¨ unf-te Anthracenmolek¨ul im Triplettzustand vorliegt (siehe cw-ESR-Messung in Kapitel 5.2), erh¨oht sich dieses Verh¨altnis auf 1,2. Aufgrund der großen spek-tralen Breite des Anthracentripletts betr¨agt der durch den Pumppuls adres-sierte Anteil lediglich ca. 5 %, bei MTSL jedoch ca. 50 %. Somit erh¨alt man ein Verh¨altnis der jeweiligen effektiven lokalen Konzentrationen von drei, in guter ¨Ubereinstimmung mit den experimentellen Daten.

Das Signal-zu-Rausch-Verh¨altnis ist bei einer Akkumulationszeit von ca. 15 Stunden sehr gut. Diese Ergebnisse zeigen, dass Vierpuls-DEER-Messungen mit optisch adressierten Spinmarkern an homogenen L¨osungen realisiert wer-den konnten.

Ein neuartiges Experiment, das zu Abstandsmessungen mit optisch adres-sierten Spinmarkern entwickelt wurde, wird im Weiteren eingef¨uhrt.

5.3 NITROXID-TRIPLETT-DEER 83

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

0 , 6 0 0 , 6 5 0 , 7 0 0 , 7 5 0 , 8 0 0 , 8 5 0 , 9 0 0 , 9 5 1 , 0 0

V(t)/V(0)

t ' [_ms ]

Abbildung 5.23: Normierte DEER-Messungen an homogenen L¨osungen mit Laserpulsanregung. Rote Kurve: 5 mM Anthracen-d₁₀ und 0,2 mM MTSL in Toluol-d₈. Schwarze Kurve: 5 mM Anthracen-d₁₀in Toluol-d₈. Messparameter siehe Kapitel 6.6.1. Die Anpassung an die experimentellen Daten erfolgte unter der Annahme dreidimensional homogen verteilter Spins.

84 5. OPTISCH ADRESSIERBARE SPINMARKER