XF73 in Wasser

Die Lumineszenzsignale des Singulett-Sauerstoffs, der durch XF73 generiert wur-de, wurden als erstes untersucht. Es wurden dabei aus verschiedenen Einzelmes-sungen der Lumineszenz die Anstiegs- und Abklingraten bei unterschiedlichen Be-dingungen, hervorgerufen durch Variation der Farbstoff-, Sauerstoff- oder Quencher-Konzentration, bestimmt. Diese wurden dann als Stern-Volmer-Plot aufgetragen und

KAPITEL 4. SINGULETT-SAUERSTOFF-INTERAKTION IN REINEN L ¨OSUNGEN

mit mathematisch berechneten Kurven f¨urβ1 undβ2(vgl. Kapitel 2.8), deren Raten und Ratenkonstanten experimentell bestimmt wurden, verglichen. Dabei stellen die durchgezogenen Linien den Fall mit R¨uckkopplung vom Singulett-Sauerstoff auf den Triplett-Farbstoff-Zustand dar, die gestrichelten Linien dem Fall ohne R¨uckkopplung (vgl. Kapitel 2.8). Aus den Raten β1 und β2 lassen sich dann mit den Gleichungen 2.13 bis 2.15 die Raten KT1 und K∆ ermitteln, die die verschiedenen Raten und Ratenkonstanten zusammenfassen.

Die Einzelmessungen bestehen aus 40.000 Laserpulsen. Die Kanalbreite der Mess-karte betrug 4 ns und es wurden immer 8 Kan¨ale aufsummiert, womit sich eine zeitliche Aufl¨osung von 32 ns ergibt. Der Laser hatte eine Ausgangsleistung von 100 mW bei 532 nm und eine Wiederholfrequenz von 2,0 kHz

Variation der Sauerstoff-Konzentration

Die Einzelmessungen mit unterschiedlichen Sauerstoff-Konzentrationen wurden bei einer Farbstoff-Konzentration von konstant 50µmol/L XF73 ohne zus¨atzliche Quen-cher durchgef¨uhrt. Beginnend bei einer luftges¨attigten L¨osung mit 270µmol/L Sau-erstoff wurde der SauSau-erstoff-Gehalt durch das Durchleiten von gasf¨ormigen Stickstoff schrittweise verringert.

Durch die Variation der Sauerstoff-Konzentration konnten die sauerstoff-abh¨angigen Raten und Ratenkonstanten ermittelt werden. Dazu wurden bei jeder Einzelmessung die Anstiegs- und Abklingraten bestimmt und bei der entsprechenden Sauerstoff-Konzentration aufgetragen. Anschließend wurden die analytisch berechneten Raten β1 und β2 als Fitkurven eingezeichnet, so dass sich die in Abbildung 4.6 gezeigte Darstellung ergibt mit einem vergr¨oßerten Ausschnitt zwischen 70 und 170 µmol/L Sauerstoff.

F¨ur die mit dem O2-Sensor gemessene Sauerstoff-Konzentration wird ein Fehler von 2% angenommen, f¨ur die Anstiegs- und Abklingraten ein Fehler von 15%. Aus der Abbildung 4.6 kann der Schnittpunkt der Raten KT1 und K∆,oR bestimmt werden und liegt bei einer Sauerstoff-Konzentration von [O2] = (0,11 ± 0,02) mmol/L.

4.3. SINGULETT-SAUERSTOFF IN WASSER

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0,1

Abbildung 4.6:Anstiegs- (β₁) und Abklingraten (β₂) aus der Variation der Sauerstoff-Konzentration bei 50 µmol/L XF73 in Wasser

F¨ur die nicht von der Sauerstoff-Konzentration abh¨angige Rate K∆ ergibt sich:

K∆([O2] = 0mmol/L) =k∆+ (k∆S0 +k∆T1)·0,05mmol/L = 0,28µs⁻¹; und durch die Extrapolation der Anstiegsrateβ2 auf die y-Achse (kein Sauerstoff in der L¨osung) erh¨alt man:

KT1([O2] = 0mmol/L) =kT1 +kT1S0 ·0,05mmol/L= 0,03µs⁻¹.

Rechts vom Schnittpunkt, also bei hohen O2-Konzentrationen, l¨asst sich die Stei-gung der Rate β1 (entspricht KT1) durch k^Σ_T1O = kT1O2 + kT1∆ = (2,25 ± 0,3) µs⁻¹ mmol⁻¹· L angeben. Die Summe der Ratenkonstanten beschreibt die Deak-tivierung des Farbstoff-T1-Zustands durch molekularen Sauerstoff ohne und mit der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff. Bereits bei der Variation der Sauerstoff-Konzentration ist durch die geringe Aufspaltung zwischen den Raten β1 und β2

ersichtlich, dass auch im Rahmen der Fehlertoleranz kein oder nahezu kein Ener-gier¨ucktransfer von Singulett-Sauerstoff auf den Triplett-Zustand des Farbstoffs statt-findet. An dieser Stelle kann daher nur eine Obergrenze f¨ur das Produkt kT1∆·k∆T1 <

0,002 µs⁻²· mmol⁻²· L² angegeben werden.

Variation der Farbstoff-Konzentration

Zur Ermittelung der farbstoffabh¨angigen Raten und Ratenkonstanten wurden die XF73-L¨osungen mit Farbstoff-Konzentrationen von 1 µmol/L bis 500 µmol/L

un-KAPITEL 4. SINGULETT-SAUERSTOFF-INTERAKTION IN REINEN L ¨OSUNGEN

tersucht. Dabei wurden bei jeder Farbstoff-Konzentration zwei Lumineszenzsigna-le aufgenommen mit unterschiedlichen Sauerstoff-Konzentrationen, die so gew¨ahlt wurden, dass auf beiden Seiten des Schnittpunkts aus Abbildung 4.6 Werte gemes-sen wurden. Die gew¨ahlten Sauerstoff-Konzentrationen betrugen 216 µmol/L (80%

Lufts¨attigung) und 81 µmol/L (30% Lufts¨attigung), zus¨atzliche Quencher wurden nicht hinzu gegeben.

In Abbildung 4.7 sind die Raten bei verschiedenen Farbstoff-Konzentrationen bei beiden Sauerstoff-Konzentrationen dargestellt. Dabei ist im Bereich kleiner Farbstoff-Konzentrationen die Abweichung von der theoretisch ermittelten Kurve gr¨oßer, da auf Grund des niedrigeren Signal/Rausch-Verh¨altnisses die Lumineszenzsigna-le schLumineszenzsigna-lechter ausgewertet werden k¨onnen.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

80% Luftsättigung 30% Luftsättigung

Abbildung 4.7: Anstiegs- (β₁) und Abklingraten (β₂) aus der Variation der XF73-Konzentration bei 80%(A) und 30%(B) Sauerstoff-Lufts¨attigung in Was-ser

Bei einem Sauerstoffgehalt von 80% der Lufts¨attigung (216 µM) l¨asst die Varia-tion der Farbstoff-KonzentraVaria-tion erkennen, dass die Messwerte f¨ur die Anstiegs-und Abklingraten β1 und β2 auf einer waagrechten Geraden (Steigung < 0,001) zu liegen kommen. Damit sind sowohl KT1, welches der Anstiegsrate β1 entspricht, als auch K∆, das der Abklingrate β2 entspricht, unabh¨angig von der Farbstoff-Konzentration. Außerdem liegen die meisten Punkte innerhalb der Fehlertoleranz auf der durchgezogenen Linie, lediglich bei geringen Farbstoff-Konzentrationen ist die Abweichung gr¨oßer. Daraus l¨asst sich folgern, wie bereits bei der Variation der

4.3. SINGULETT-SAUERSTOFF IN WASSER

Sauerstoff-Konzentration gezeigt, dass entweder kein oder nur ein sehr geringer Ener-gier¨ucktransfer stattfindet und sowohl der angeregte Farbstoff-Triplett-Zustand, als auch der Singulett-Sauerstoff-Zustand nicht durch den Farbstoff gequencht werden.

Mit den ermittelten Daten ergibt sich f¨ur

KT1([P] = 0mM) = kT1 + (kT1O2 +kT1∆)·0,216mM = 0,526µs⁻¹ und f¨ur

K_∆([P] = 0mM) =k_∆ = 0,28µs⁻¹.

F¨ur kT1 ergibt sich mit k^Σ_T1O = (2,25 ± 0,3) µs⁻¹ mmol⁻¹· L ein Wert von (0,04 ± 0,01)µs⁻¹, was einer Lebensdauer des T1-Zustands von (25 ±5)µs entspricht. F¨ur die Rate der Singulett-Sauerstoff-Deaktivierung ergibt sich k_∆ = (0,28±0,01)µs⁻¹ und somit eine Singulett-Sauerstoff-Lebensdauer von (3,6 ± 0,1) µs .

Ebenso wie bei 80% der Lufts¨attigung stellten sich bei 30% Werte f¨urβ₁ und β₂ als unabh¨angig von der Farbstoffkonzentration dar und f¨ur die Extrapolation auf die y-Achse folgt:

KT1([P] = 0mM) = kT1 + (kT1O2 +kT1∆)·0,081mM = 0,222µs⁻¹ wodurch wieder ein Wert von (0,04± 0,01) µs⁻¹ f¨ur kT1 berechnet werden kann.

Variation der Quencher-Konzentration

Durch den Einsatz von Natriumazid als Singulett-Sauerstoff-Quencher kann die Abh¨angigkeit der Lebensdauer des Triplett-Farbstoff-Zustands und des Singulett-Sauerstoffs von der Quencher-Konzentration ermittelt werden. Dazu wurde bei ei-ner konstanten Farbstoff-Konzentration von 50 µmol/L XF73 die Natriumazid-Konzentration schrittweise von 0µmol/L bis 1000µmol/L erh¨oht. Ebenso wie bei der Farbstoff-Variation wurde wieder bei zwei verschiedenen Sauerstoff-Konzentrationen gemessen, diesmal bei 216 und 54 µmol/L (Abb. 4.8).

F¨ur das Quenchen des Farbstoff-T1-Zustands ist die Ratenkonstante kT1Q und f¨ur das Quenchen von Singulett-Sauerstoff ist k∆Q verantwortlich. F¨ur die Deaktivie-rungsrate des T₁-Zustands gilt

KT1 =kT1 + (kT1O2+kT1∆)·0,0216mM +kT1S0 ·0,05mM +kT1Q[Q]

KAPITEL 4. SINGULETT-SAUERSTOFF-INTERAKTION IN REINEN

80% Luftsättigung 20% Luftsättigung

A B

Abbildung 4.8: Anstiegs- (β₁) und Abklingraten (β₂) aus der Variation der Natriumazid-Konzentration bei 50µmol/L XF73 bei 80% (A) und 20% (B) Sauerstoff-Lufts¨attigung in Wasser

und f¨ur die Deaktivierung des Singulett-Sauerstoffs l¨asst sich die Rate zu K∆=k∆+ (k∆S0 +k∆T1)·0,05mM +k∆Q[Q]

bestimmen. Bei der h¨oheren Sauerstoff-Konzentration entspricht im Bereich hoher NaN3-Konzentrationen die Rate β1 der Rate K∆, die eine Steigung von k∆Q hat. β2

entspricht der Rate KT1 und hat eine Steigung von kT1Q. Aus den Fitkurven in den Abbildungen 4.8 A und B l¨asst sich auch hier erkennen, dass kein Energietransfer von dem Triplett-T1-Zustand des Farbstoffs auf den Quencher stattfindet. Somit folgt, dass kT1Q = 0 ist und dadurch KT1 unabh¨angig von der Quencher-Konzentration ist. Bei K∆ findet sich die erwartete Abh¨angigkeit von der Quencher-Konzentration und die quencherabh¨angige Ratenkonstante l¨asst sich bestimmen zu k∆Q=(0,5 ± 0,1) µs⁻¹· mmol⁻¹· L (Literatur: 0,58 ± 0,03 [23]). Eine Erh¨ohung der Quencher-Konzentration wirkt sich insofern auf K∆ aus, dass sich die Abklingdauer von ¹O2

mit zunehmender Quencher-Konzentration verk¨urzt, da der ¹O2-Zustand schneller deaktiviert wird. Wie bei der Variation der Sauerstoff-Konzentration klar ersicht-lich, l¨asst sich bei der Variation der Quencher-Konzentration zumindest vermuten, dass kein Energier¨ucktransfer vorliegt. Jedoch sind auf Grund des Quenchens durch NaN3 die Lumineszenzsignale schw¨acher und damit schlechter auszuwerten. Außer-dem bilden die Variationen der Farbstoff-, Sauerstoff- und Quencher-Konzentration ein gekoppeltes System, weswegen die Messpunkte zum Teil von den gefitteten

Mess-4.3. SINGULETT-SAUERSTOFF IN WASSER

kurven abweichen. Bei der Auswertung muss abgewogen werden, welche Fitparame-ter man w¨ahlt, um m¨oglichst alle Datenpunkte aus den Lumineszenzmessungen mit dem Graphen der analytischen L¨osung des Verlaufs der Raten KT1 und K∆ (siehe Gln. 2.13 und 2.14) innerhalb der Fehlertoleranz zu erreichen. Aus diesem Grund liegt die gemessene Abklingrate K∆ bei der Variation der Quencher-Konzentration bei [O2] = 216 µM oberhalb der theoretisch berechneten Kurve. Eine ¨Anderung der Fitparameter beeinflusst ebenso die berechneten Kurven bei der Variation der Sauerstoff- und Farbstoff-Konzentration. Eine Zusammenfassung aller Raten und Ratenkonstanten des Photosensibilisators XF73 in Wasser findet sich in Abschnitt 4.5.