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Analyse einzelner Moleküle Molekülspektroskopie – wortwörtlich

| Autor/ Redakteur: Dr. Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Mit einer neuen Methode sind erstmals Spektren einzelner Moleküle messbar. Die neue Technik von Forschern der Technischen Universität München könnte zum Beispiel die Suche nach effizienten Molekülen für zukünftige Technologien in der Photovoltaik erleichtern. Wie sie funktioniert, verrät dieser Beitrag.

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(v.l.) Prof. Dr. Juergen Hauer und Erstautor Erling Thyrhaug mit ihrem Messinstrument. Im Hintergrund Spektren, die damit aufgenommen wurden.
(v.l.) Prof. Dr. Juergen Hauer und Erstautor Erling Thyrhaug mit ihrem Messinstrument. Im Hintergrund Spektren, die damit aufgenommen wurden.
(Bild: Andreas Battenberg / TUM)

München – Normalerweise mitteln Spektrometer bei einer Messung über tausende, manchmal Millionen von Molekülen. Das ist kein Problem für viele Standardanalysen. Aber wenn man die Details von Wechselwirkungen zwischen den Molekülen untersuchen möchte, reicht ein Mittelwert über die gesamte Probe nicht mehr aus. „Bisher ließen sich Emissionsspektren routinemäßig erfassen, Absorptionsmessungen an Einzelmolekülen waren jedoch extrem aufwändig“, sagt Professor Jürgen Hauer von der Technischen Universität München (TUM). „Wir sind damit an der ultimativen Grenze der Nachweisbarkeit angelangt.“

Heuer ist es mit einem internationalen Team nun aber 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 damit exakt bestimmten, wie ein Molekül mit seiner Umgebung interagiert, wie es Energie aufnimmt und wieder abgibt.

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Wie man einzelne Moleküle spektral untersucht

Die neue Methode basiert auf einem kompakten, nur DIN-A4-großen Instrument, das die Münchner Chemiker in Zusammenarbeit mit Kollegen am Politecnico di Milano entwickelten. Das Besondere: Es erzeugt einen doppelten Laserimpuls mit einer kontrollierten Verzögerung zwischen den Anregungen. Dadurch moduliert der zweite Puls das Emissionsspektrum des ersten Pulses 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“, betont Hauer. Die Messung selbst sei relativ einfach. „Um neun Uhr morgens haben wir das Gerät in den Aufbau an der Universität Kopenhagen eingebaut. Schon um halb zwölf gab es erste brauchbare Messdaten“, erzählt Hauer.

Analyse des Energieflusses geplant

Mithilfe der neuen Spektroskopie-Methode wollen die Chemiker nun einzelne Moleküle studieren, etwa den Energiefluss in metallorganischen 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 Chemiker wollen den Energiefluss auch zeitlich aufgelöst darstellen und so verstehen, warum er in bestimmten Molekülen schneller und effizienter stattfindet als in anderen. „Konkret interessieren wir uns für den Energietransfer in biologischen Molekülverbänden, in denen Photosynthese stattfindet“, sagt Hauer.

Neue Einblicke in Photosynthese gewinnen

Besonders im Fokus hinsichtlich späterer Anwendungen steht der Lichtsammelkomplex LH2, der im Photosystem II von Pflanzen eine wichtige Rolle spielt. „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.

Originalpublikation: Erling Thyrhaug, Stefan Krause, Antonio Perri, Giulio Cerullo, Dario Polli, Tom Vosch, and Jürgen Hauer: Single-molecule excitation–emission spectroscopy. PNAS March 5, 2019 116 (10) 4064-4069; DOI: 10.1073/pnas.1808290116

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 80333 München

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