Forschung & Entwicklung

Spektroskopie an einzelnen Molekülen

Eine neue spektroskopische Methode liefert präzise Aussagen über die Wechselwirkung genau eines Moleküls mit seiner Umgebung. Damit lassen sich beispielsweise schneller effiziente Moleküle für zukünftige Technologien in der Photovoltaik finden.

Einem internationalen Team um Professor Jürgen Hauer von der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die spektralen Eigenschaften einzelner Moleküle zu bestimmen. Die Forscher konnten Absorptions- und Emissionsspektren der untersuchten Moleküle über einen breiten Spektralbereich in einer einzigen Messung erfassen und so exakt bestimmen, wie ein Molekül mit seiner Umgebung interagiert, wie es Energie aufnimmt und wieder abgibt.

Normalerweise wird bei solchen Messungen über tausende, manchmal Millionen von Molekülen gemittelt, dadurch gehen wichtige Detailinformationen verloren. „Bisher ließen sich Emissionsspektren routinemäßig erfassen, Absorptionsmessungen an Einzelmolekülen waren jedoch extrem aufwendig“, erklärt Hauer. „Wir sind damit an der ultimativen Grenze der Nachweisbarkeit angelangt.“

Die neue Methode basiert auf einem kompakten, nur DIN-A4-großen Instrument, das die Münchner Chemiker in Zusammenarbeit mit den Kollegen am Politecnico di Milano entwickelten. Der Trick dabei: Es erzeugt einen doppelten Laserimpuls mit kontrollierter Verzögerung zwischen den Anregungen. Der zweite Puls moduliert das Emissionsspektrum auf eine spezifische Art, die ihrerseits Informationen über das Absorptionsspektrum enthält. Diese Informationen lassen sich dann über eine Fourier-Transformation auswerten.

„Der Hauptvorteil ist, dass wir einen herkömmlichen Messaufbau zur Erfassung von Emissionsspektren mit nur wenig Aufwand in ein Gerät zu Messung von Emissions- und Absorptionsspektren verwandeln können“, sagt Hauer. Mithilfe der neuen Spektroskopiemethode wollen die Chemiker nun einzelne Moleküle studieren, etwa den Energiefluss in metall-organischen Verbindungen oder physikalische Effekte bei Molekülen, wenn sie mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel in Kontakt kommen. Der Einfluss eines Lösungsmittels ist auf Einzelmolekülebene noch wenig erforscht. Die Forscher wollen den Energiefluss auch zeitlich aufgelöst darstellen und so verstehen, warum er in bestimmten Molekülen schneller und effizienter stattfindet als in anderen. Konkret interessieren sie sich für den Energietransfer in biologischen Molekülverbänden, in denen Photosynthese stattfindet.

Besonders im Fokus hinsichtlich späterer Anwendungen steht der Lichtsammelkomplex LH2. „Wenn wir natürliche Lichtsammelkomplexe verstanden haben, können wir über künstliche Systeme nachdenken, wie sie in der Photovoltaik zum Einsatz kommen“, sagt Hauer. Die Erkenntnisse könnten die Grundlage für zukünftige Technologien in der Photovoltaik sein. Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen organischen Solarzelle.

von mn

Originalveröffentlichung:

[E. Thyrhaug, S. Krause, A. Perri, G. Cerullo, D. Polli, T. Vosch, J. Hauer, Single-molecule excitation–emission spectroscopy, PNAS (2019), DOI: 10.1073/pnas.1808290116]

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