Die TIRF-Mikroskopie als Werkzeug der Einzelmolekülchemie - Untersuchungen an der Grenzfläche Fest/Gasförmig & Fest/Flüssig

Abstract

Die Fluoreszenzmikroskopie stellt ein einzigartiges Werkzeug für die Untersuchung elementarer Prozesse aus der Biologie, Chemie, Biophysik und Medizin dar. Über die Jahrzehnte haben sich spezielle Techniken etabliert, die die Untersuchung von chemischen Reaktionen auf dem Einzelmolekülniveau erlauben und damit Dynamiken aufschlüsseln, die durch die inhärente Mittelung von Informationen im Ensembleexperiment unentdeckt bleiben. Besonders die TIRF-Mikroskopie eignet sich mit guten Signal-zu-Untergrund Verhältnissen dazu, über ein großes Sichtfeld Einzelmolekülsysteme an einer Grenzfläche zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wird diese dazu verwendet, anhand zweier ausgewählter Fluoreszenzfarbstoffe Reaktionen auf dem Einzelmolekülniveau zu verfolgen und zu analysieren. Dabei wurde Terrylen als bekannter Vertreter kondensierter Aromaten in der Einzelmolekülspektroskopie ausgewählt. Bei der Untersuchung der Photooxidation dieser Verbindung in kristallinem p-Terphenyl konnten neue Erkenntnisse bezüglich des Reaktionsmechanismus erlangt werden, die einen zusätzlichen Reaktionspfad zu den Zersetzungsprodukten ohne vorausgehenden Dunkelzustand implizieren. Für die Photosäure HPDE-APTES wurde die Schützung der Hydroxylfunktion mit Silylethern in Acetonitril im Ensemble optimiert, im Anschluss auf das Einzelmolekülniveau transferiert und mittels TIRF-Mikroskopie untersucht. Dabei konnte sowohl die Hin- als auch Rückreaktion an denselben Einzelmolekülen beobachtet werden.

Fluorescence microscopy is a unique tool that provides insights into elementary processes from biology, chemistry, biophysics and medicine. Specialized techniques have been established over the years that allow for the investigation of chemical reactions at the single-molecule level and thus elucidate dynamics that remain undetected by the inherent averaging of information in the ensemble experiment. In particular, TIRF microscopy is suitable for studying single-molecule systems at an interface with good signal-to-noise ratios over a large field of view. In the present work, this is used to track and analyze reactions at the single-molecule level using two selected fluorescent dyes. Terrylene was selected as a well-known representative of polycyclic aromatics in single-molecule spectroscopy. By investigating the photooxidation of this compound in crystalline p-terphenyl, new insights into the reaction mechanism could be obtained, which imply an additional reaction pathway which leads to the decomposition products without a preceding dark state. For the photoacid HPDE-APTES, the protection of the hydroxyl function with silyl ethers in acetonitrile was first optimized in the ensemble experiment, subsequently transferred to the single molecule level and investigated by TIRF microscopy. Both the forward and reverse reactions could be observed on the same individual molecules.