Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Gepulste dipolare EPR-Spektroskopie ist eine wertvolle Methode, um Abstände von 1.5 bis 10 nm zwischen zwei Spinmarkern zu messen. Diese Information kann für Strukturbestimmungen hilfreich sein, wo traditionelle Methoden wie Kristallstrukturanalyse und NMR nicht angewendet werden können. Zusätzlich ist es möglich, Änderungen in Konformation und Flexibilität zu verfolgen. Für diese Studien haben sich stabile Nitroxidradikale als Spinmarker etabliert. Diese werden spezifisch durch die site-directed spin labelling Methode (SDSL) kovalent an das zu untersuchende Biomolekül gebunden. In den letzten Jahren wurden weitere Spinmarker für Abstandsbestimmungen mittels EPR-Spektroskopie entwickelt. Besonders interessant sind Triarylmethylradikale (im Folgenden abgekürzt als Trityl) und paramagnetische Metallzentren.
Im Vergleich zu Nitroxidradikalen hat das Tritylradikal einige Vorteile: Eine höhere Stabilität in einer reduzierenden Umgebung wie im Inneren von Zellen, längere Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Raumtemperatur und ein schmaleres EPR-Spektrum. Deswegen ist dieses organische Radikal ein alternativer Spinmarker, der besonders gut für die Forschung von Biomolekülen in einer nativen Umgebung unter physiologischen Bedingungen geeignet ist. Auch paramagnetische Metallzentren sind weniger reduktionsempfindlich als Nitroxidradikale. Zusätzlich sind diese Spinmarker interessant in biologischen Fragestellungen. Zum Beispiel besitzen zahlreiche Enzyme paramagnetische Manganzentren als Cofaktoren. Zudem kann Magnesium, ein wesentlicher Cofaktor in Enzymen, Nukleinsäuren und Nukleotid-Bindungsdomänen der G- und Membranproteine, oft durch das paramagnetische Mangan ersetzt werden. Um Abstandsmessungen an Biomolekülen, die nur ein Metallzentrum besitzen, durchzuführen, können zusätzliche Spinmarker in Form eines Nitroxid-, Tritylradikals oder eines anderen paramagnetischen Metallkomplexes mithilfe der SDSL-Methode kovalent gebunden werden.
Nitroxidradikale, Tritylradikale und Metallzentren haben deutlich unterschiedliche EPR-spektroskopische Eigenschaften, welche oft als orthogonale Spinmarker bezeichnet werden. Solche Spinmarker sind nützlich für die Untersuchung von verschiedenen Untereinheiten bei makromolekularen Komplexen. Somit können die intramolekularen Abstände innerhalb einer Untereinheit sowie intermolekularen Abstände zwischen den unterschiedlichen Untereinheiten mit nur einer einzigen Probe bestimmt werden. Zusätzlich können die orthogonalen Marker sehr effektiv genutzt werden, um Metallzentren in Biomolekülen mithilfe der Trilateration-Strategie genau zu lokalisieren.
Die hier vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Nutzung dieser neuen Spinmarker für Abstandsmessungen. Solche Spinmarker sind noch kaum erforscht, obwohl sie für biologische Anwendungen eine große Rolle spielen könnten.
Das erste Ziel dieser Doktorarbeit war eine Studie über Tritylradikale mithilfe der dipolaren EPR-Spektroskopie. Zu diesem Zweck wurden sowohl double quantum coherence (DQC) und single frequency technique for refocussing dipolar couplings (SIFTER) Experimente als auch Hochfrequenz pulsed electron electron double resonance (PELDOR) Experimente mit einem Trityl-Modellsystem durchgeführt. Dabei wurden die Besonderheiten der unterschiedlichen dipolaren Spektroskopiemethoden mit diesem Spinmarker untersucht, um die Empfindlichkeit und Robustheit für die Abstandsmessungen zu optimieren.
Das zweite Ziel war eine Studie über den Einfluss der Hochspin-Multiplizität des Mangans auf die Abstandsbestimmungen. Für diesen Zweck wurde zuerst ein Modellsystem mit einem orthogonalen Mn2+ Ion und Nitroxidradikal mithilfe der PELDOR-Spektroskopie untersucht. Anschließend wurde ein weiteres Modellsystem mit zwei Mn2+-Ionen untersucht, um PELDOR und relaxation-induced dipolar modulation enhancement (RIDME) Experimente bezüglich ihrer Empfindlichkeit und Robustheit sowie Genauigkeit der Datenanalyse zu optimieren.
Das Trityl-Modellsystem wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Sigurdsson synthetisiert. Die EPR Messungen wurden bei zwei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen (34 und 180 GHz) durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die Auswahl der optimalen Methode von den EPR-spektroskopischen Eigenschaften des Systems bei den jeweiligen Mikrowellenfrequenzen abhängig ist. Das EPR-Spektrum des Trityls ist bei 34 GHz so schmal, dass das ganze Spektrum von einem üblichen Mikrowellenpuls angeregt werden kann. In diesem Fall sind die DQC und SIFTER Experimente am besten geeignet. Der mit diesen Methoden bestimmte Abstand von 4.9 nm ist in guter Übereinstimmung mit Werten aus der Literatur. Es wurde festgestellt, dass die SIFTER Messung eine höhere Empfindlichkeit als DQC besitzt, da das Signal-zu-Rausch Verhältnis um den Faktor vier größer ist. Außerdem ist die SIFTER-Methode experimentell weniger anspruchsvoll, da ein deutlich kürzerer Phasenzyklus für die Mikrowellenpulse benötigt wird. ...
Die Entwicklung von neuartigen, funktionellen Materialien ist eine komplexe Aufgabe, da die Gesamteffizienz der zu entwickelnden Materialien von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Während die auf einer molekularen Ebene durchgeführte Funktionalisierung via chemischer Reaktionsführung genauso wichtig ist wie die makromolekulare Anordnung, kann die Frage nach einer geeigneten Verbesserung von gegenwärtigen Materialien nicht nur auf einer dieser beiden Ebenen beantwortet werden. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse basieren auf der mirkoskopischen aber auch markoskopischen Betrachtung von neuartigen, funktionellen Nanomaterialien und den daraus gewonnenen Erkenntnissen. Das übergeordnete Ziel ist dabei das Verständnis und die Charakterisierung von Ladungsseparationsprozessen und die daraus resultierende Erzeugung von elektrischen Strömen in organischen photovoltaischen Materialien.
Die relevanten Ladungsseparationsprozesse werden oft im Kontext der Dissoziation von Exzitonen, gebundenen Elektron-Loch Paaren, beschrieben, welche innerhalb der Donordomäne eines beliebigen Donor-Akzeptor-Materials erzeugt werden. Dabei ist der Prozess der Exzitonengenerierung abhängig von der Nanomorphologie des entsprechenden Materials, typischerweise so genannten Bulk-Heterojunctions. Dahingehend ist es notwendig, die Effekte von intermolekularen Wechselwirkungen sowohl mittels quantenmechanischer als auch dynamischer Methoden zu betrachten. Um alle relevanten Zeitskalen und Prozesse zu betrachten ist es weiterhin notwendig, auf sowohl eine deterministische Darstellung im Rahmen von quantendynamischen Methoden als auch statistischen Methoden zurückzugreifen.
Um die oft ultraschnellen und kohärenten Exzitonendissoziationsprozesse zu untersuchen wurde eine Kombination aus high-level ab initio Methoden und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) angewandt, um geeignete Modellhamiltonians zu parametrisieren, welche schließlich mittels der Multi-Configurational Time-Dependent Hartree (MCTDH) und der Multilayer (ML-MCTDH) variante propagiert wurden. Die MCTDH Methode hat sich als geeignete Methode erwiesen um eine voll quantendynamische Beschreibung von bis zu 100 Freiheitsgraden durchzuführen; die ML-MCTDH Methode erlaubt gar bis zu 1000 Freiheitsgrade quantendynamisch zu behandeln. Die Parametrisierung der Modellhamiltonians, auf welchen die quantendynamische Behandlung basiert, wurde dabei für kleine, jedoch repräsentative Fragmente durchgeführt. Die geeignete Wahl dieser Fragmente sollte sicherstellen, dass zum einen alle relevanten intermolekularen als auch intramolekularen Wechselwirkungen enthalten sind, jedoch gleichzeitig eine möglichst akkurate Beschreibung mittels high-level elektronenstrukturtheoretischer Methoden in gegebener Zeit möglich ist.
Mit Hilfe dieser Methodenkombination wurden zwei Arten von funktionellen organischen Materialien untersucht. Das erste untersuchte System ist ein neuartiges Donor-Akzeptor System, bestehend aus selbstorganisierenden Oligothiophen-Perylenediimid Dimeren, welche in der Gruppe von S. Haacke und S. Mery der Universität Straßburg synthetisiert und spektroskopisch untersucht wurden. Die quantendynamischen Simulationen an diesem System sollten die Ergebnisse der experimentellen, zeitaufgelösten pump-probe Spektroskopie validieren und die dürftige Effizienz im Hinblick auf eine effektive Ladungstrennung erklären. Dabei konnte gezeigt werden, dass nach der Exzitonendissoziation Elektron und Loch auf räumlich benachbarten Donor- und Akzeptorfragmenten lokalisiert werden, was schließlich zu einem Rekombinationsprozess führen wird. Das zweite untersuchte System ist eine Kombination von Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) als Elektronendonor und [6,6]-Phenyl-C61 Butansäure Methyl-Ester (PCBM) als Elektronenakzeptor, welches schon hinreichend stark in diversen theoretischen und experimentellen Studien untersucht wurde. Aufbauend auf einem Gittermodell, welches in unserer Gruppe entwickelt wurde, wurde das Modellsystem um Charge Transfer Exzitonen in der Donordomäne erweitert. Die Bedeutung von solchen Charge Transfer Exzitonen in regioregulären Oligothiophenaggregaten ist ein aktuelles Thema in der Wissenschaft, sowohl in experimentellen aber auch theoretischen Abhandlungen. Neben der theoretischen Beschreibung zur Entstehung solcher Charge Transfer Exzitonen liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Einfluss dieser predissoziierten Elektron-Loch Paaren auf die Ladungsseparationsdynamik zwischen Donor und Akzeptor sowie die Generierung von freinen Ladungsträgern. Dieser Aspekt der Ladungsseparation in einem P3HT-PCBM System wurde in dieser Art und Weise in dieser Arbeit zum ersten mal untersucht.
Neben dem zuvor erwähnten Donor-Akzeptor System erster Generation der Universität Straßburg wurde eine zweite Variante dieses Systems entwickelt, welches sich bei bisherigen experimentellen Untersuchungen als wesentlich effizienter erwies. Der interessante Prozess der Ladungsseparation ist dabei allerdings auf einer Zeitskala von mehreren hundert Pikosekunden angesiedelt, sodass kinetische Monte Carlo Methoden verwendet werden mussten um diese Prozesse zu modellieren. Dazu wurde ein Fortran90 Code entwickelt, welcher den First Reaction Method Algorithmus verwendet und explizite Delokalisationsprozesse behandelt, welche in dieser Form in kommerziellen Programmpaketen nicht enthalten ist. In vorangehenden Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Delokalisation von Exzitonen zu einer effektiven Herabsetzung der energetischen Barriere der Ladungsseparation führt und somit die Effizienz zur Stromumwandlung gesteigert werden konnte. Erste Simulationen mit diesem Code an idealisierten und zufällig generierten Donor-Akzeptor Morphologien lieferten realistische Werte für makroskopische Observablen wie Ladungsträgermobilitäten. Weiterhin wurden Simulationen einer coarse-grained Struktur zur zweiten Generation des Donor-Akzeptor Systems durchgeführt, ebenfalls mit Hinblick zur Untersuchung der Ladungsträgermobilität.