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Triplett-Solvatationsdynamik als Methode zur Untersuchung der molekularen Dynamik von Flüssigkeiten unter räumlicher Einschränkung

Talluto, Vincenzo :
Triplett-Solvatationsdynamik als Methode zur Untersuchung der molekularen Dynamik von Flüssigkeiten unter räumlicher Einschränkung.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5312]
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5312

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die molekulare Dynamik von Flüssigkeiten zeigt unter räumlicher Einschränkung ein stark verändertes Verhalten im Vergleich zur Dynamik im freien Volumen (Bulk). Dabei kann durch Grenzflächen-, Dichte- und Längenskaleneffekte die Dynamik je nach Medium sowohl beschleunigt als auch verlangsamt werden. Ein besseres Verständnis des komplexen Zusammenspiels aller Effekte ist insbesondere für die Biowissenschaften von großem Interesse, da in biologischen Systemen Flüssigkeiten häufig an mikroskopische Strukturen gebunden sind. Die Triplett-Solvatationsdynamik ist im Gegensatz zu den meisten anderen Messmethoden aus dem Gebiet der weichen Materie in der Lage, die Dynamik von Flüssigkeiten ortsselektiv zu messen. Hierzu wird einer Probe ein Farbstoff hinzugefügt, welcher durch einen kurzen UV-Laserpuls angeregt werden kann. Durch die dynamischen Relaxationsprozesse in der Probe wird seine Emissionswellenlänge zeitabhängig und kann über zeitaufgelöste, optische Spektroskopie mit den dynamischen Prozessen in der Flüssigkeit verknüpft werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Messanlage zur Untersuchung von Flüssigkeiten mittels Triplett-Solvatationsdynamik aufgebaut. Zunächst wurde das Experiment mit einem kommerziell erhältlichen Lasersystem bei 355nm realisiert und die Ergebnisse mit bereits vorhandenen Messergebnissen anderer Arbeitsgruppen verglichen. Nach der Erprobungsphase wurde mit der Entwicklung eines alternativen Lasersystems zur Anregung der Farbstoffmoleküle begonnen. Es basiert auf einem regenerativen Titan:Saphir-Verstärker. Dieser erzeugt aus der kontinuierlichen Strahlung von zwei Diodenlasern bei 940nm und 960nm simultane Pulse mit bis zu 1,5 mJ bzw. 3 mJ Energie und einer Pulsdauer von ca. 6,4 ns. Durch die gleichzeitige Verstärkung beider Wellenlängen betragen die Schwankungen des zeitlichen Abstandes der beiden Pulse weniger als 300 ps. Nach einer nichtlinearen Frequenzkonversion stehen bis zu 1 mJ bei 320nm zur Verfügung.

Mit dem erweiterten System wurde erstmals versucht, die Besetzungseffizienz des langlebigen Triplett-Zustandes im Farbstoff zu erhöhen und den erfassbaren Dynamikbereich zu erweitern. Hierzu soll der Farbstoff mit dem UV-Puls bei 320nm angeregt und mit dem gleichzeitig eingestrahlten IR-Puls bei 940nm zum Übergang in den Triplett-Zustand stimuliert werden. Aufgrund der begrenzten Pulsenergie des Verstärkers konnte jedoch kein signifikanter Effekt durch die beiden Laserpulse beobachtet werden. Daher wurden die Untersuchungen mit einem Lasersystem bei 1064nm und bis zu 20 mJ Pulsenergie wiederholt. Allerdings war es hiermit nur möglich, die im langlebigen Triplett-System gespeicherte Besetzung zurück in das obere Anregungsniveau zu transferieren, wo sie unter Aussendung von Fluoreszenzlicht zerfällt.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2016
Autor(en): Talluto, Vincenzo
Titel: Triplett-Solvatationsdynamik als Methode zur Untersuchung der molekularen Dynamik von Flüssigkeiten unter räumlicher Einschränkung
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die molekulare Dynamik von Flüssigkeiten zeigt unter räumlicher Einschränkung ein stark verändertes Verhalten im Vergleich zur Dynamik im freien Volumen (Bulk). Dabei kann durch Grenzflächen-, Dichte- und Längenskaleneffekte die Dynamik je nach Medium sowohl beschleunigt als auch verlangsamt werden. Ein besseres Verständnis des komplexen Zusammenspiels aller Effekte ist insbesondere für die Biowissenschaften von großem Interesse, da in biologischen Systemen Flüssigkeiten häufig an mikroskopische Strukturen gebunden sind. Die Triplett-Solvatationsdynamik ist im Gegensatz zu den meisten anderen Messmethoden aus dem Gebiet der weichen Materie in der Lage, die Dynamik von Flüssigkeiten ortsselektiv zu messen. Hierzu wird einer Probe ein Farbstoff hinzugefügt, welcher durch einen kurzen UV-Laserpuls angeregt werden kann. Durch die dynamischen Relaxationsprozesse in der Probe wird seine Emissionswellenlänge zeitabhängig und kann über zeitaufgelöste, optische Spektroskopie mit den dynamischen Prozessen in der Flüssigkeit verknüpft werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Messanlage zur Untersuchung von Flüssigkeiten mittels Triplett-Solvatationsdynamik aufgebaut. Zunächst wurde das Experiment mit einem kommerziell erhältlichen Lasersystem bei 355nm realisiert und die Ergebnisse mit bereits vorhandenen Messergebnissen anderer Arbeitsgruppen verglichen. Nach der Erprobungsphase wurde mit der Entwicklung eines alternativen Lasersystems zur Anregung der Farbstoffmoleküle begonnen. Es basiert auf einem regenerativen Titan:Saphir-Verstärker. Dieser erzeugt aus der kontinuierlichen Strahlung von zwei Diodenlasern bei 940nm und 960nm simultane Pulse mit bis zu 1,5 mJ bzw. 3 mJ Energie und einer Pulsdauer von ca. 6,4 ns. Durch die gleichzeitige Verstärkung beider Wellenlängen betragen die Schwankungen des zeitlichen Abstandes der beiden Pulse weniger als 300 ps. Nach einer nichtlinearen Frequenzkonversion stehen bis zu 1 mJ bei 320nm zur Verfügung.

Mit dem erweiterten System wurde erstmals versucht, die Besetzungseffizienz des langlebigen Triplett-Zustandes im Farbstoff zu erhöhen und den erfassbaren Dynamikbereich zu erweitern. Hierzu soll der Farbstoff mit dem UV-Puls bei 320nm angeregt und mit dem gleichzeitig eingestrahlten IR-Puls bei 940nm zum Übergang in den Triplett-Zustand stimuliert werden. Aufgrund der begrenzten Pulsenergie des Verstärkers konnte jedoch kein signifikanter Effekt durch die beiden Laserpulse beobachtet werden. Daher wurden die Untersuchungen mit einem Lasersystem bei 1064nm und bis zu 20 mJ Pulsenergie wiederholt. Allerdings war es hiermit nur möglich, die im langlebigen Triplett-System gespeicherte Besetzung zurück in das obere Anregungsniveau zu transferieren, wo sie unter Aussendung von Fluoreszenzlicht zerfällt.

Ort: Darmstadt
Freie Schlagworte: Solvatationsdynamik, Festkörperlaser, Laserentwicklung, Flüssigkeiten
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik > Molekulare Dynamik in kondensierter Materie
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik
05 Fachbereich Physik
Hinterlegungsdatum: 21 Feb 2016 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5312
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53123
Referenten: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Blochowicz, PD Dr. Thomas
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Februar 2016
Schlagworte in weiteren Sprachen:
Einzelne SchlagworteSprache
solvation dynamics, liquids, laser developement, solid state laserEnglisch
Alternatives Abstract:
Alternativer AbstractSprache
Liquids exhibit a strong change in their molecular dynamics with respect to their bulk behaviour when they are subject to spacial confinement. The dynamics within the liquid are modified by surface, density and finite-size effects and can be either accelerated or decelerated. A better understanding of the complex interplay of all these effects is of great interest for life-sciences because liquids in biological systems are often confined by microscopic structures. In contrast to the standard methods of soft-matter physics, the method of tripletstate solvation dynamics is capable of measuring the molecular dynamics in liquids with a high spacial resolution. A dye is added to the system in question, which can be excited by a UV laser pulse. In reaction to the dynamical relaxation process in the solvent, the Emission wavelength of the dye exhibits a time-dependent shift, which can be connected with the molecular dynamics of the solvent by time-resolved optical spectroscopy. In the present thesis a new experiment has been set up for the investigation of the Dynamics of liquids by triplet-sate solvation dynamics. In the first development step a commercially available laser system operating at 355nm was employed. The experimental results from the testing phase were compared to the results from other research groups. The successful tests marked the beginning of the development of an alternative laser system for the excitation of the dye molecules based on a regenerative titanium:sapphire amplifier. This system uses two continuous wave diode lasers at 940nm and 960nm as seed and produces synchronized pulses at both wavelengths with 1.5 mJ and 3 mJ of pulse energy respectively. The simultaneous amplification of both wavelengths guarantees a timing-jitter of less than 300 ps between the 6.4 ns long pulses. After non-linear frequency conversion, up to 1 mJ at 320nm are available for the experiment. The new laser system was used to excite the dye with the 320nm pulse, while stimulating the transition to the triplet-state with the 940nm pulse. This constitutes the first attempt to extend the observable dynamic time window of this method by stimulated emission pumping. Because of the limited output energy of the amplifier, no significant effect could be observed. The experiments were repeated with a laser system operating at 1064nm and up to 20 mJ pulse energy. However, it was only possible to transfer the population stored in the Long lived triplet-state back into the first excited state, where it decays by fluorescence emission.Englisch
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