Fluoreszenzspektroskopie
Mittels Fluoreszenz-Aufkonversion (fluorescence upconversion) soll die ultraschnelle Dynamik der Fluoreszenz von Farbstoffen und anderen organischen Molekülen (Nukleobasen) aufgelöst werden, die sich zwischen 100 Femtosekunden und mehreren Nanosekunden abspielen kann. Ein kommerzieller Ti:Sa-Oszillator liefert mit 5 MHz Repititionsrate ultrakurze Pulse mit einer Länge von 50 fs und Energie von ca. 200 µJ. Zur Anregung der Moleküle generieren wir die zweite Harmonische mit einer zentralen Wellenlänge von 400nm durch einen nichtlinearen Prozess in einem BBO-Kristall. Die durch Fluoreszenz emittierten Photonen werden mit einem Abtast (gate) -Impuls (800nm) in einem zweiten Kristall überlagert und die Summenfrequenz mit einem Monochromator und Single-Photon-Counter wellenlängenabhängig detektiert. Durch variable Verzögerungen des Gate-Impulses kann das Fluoreszenzsignal zeitlich abgerastert werden und das mit einer Auflösung, die durch die Kreuzkorrelation von Pump- und Gate-Impuls vorgegeben ist.
Die zu untersuchenden Proben enthalten konjugierte Systeme in der Molekülstruktur (Doppelbindungen oder π-Bindungen), die durch Absorption des Pump-Strahls in einen elektronisch angeregten Zustand angeregt werden. Nach vibronischen Relaxationen und anderen strahlungslosen Prozessen (Protonentransferreaktionen, Lösungsmittelrelaxation, Drehung von funktionellen Gruppen im angeregten Zustand,…) geht das System in den elektronischen Grundzustand unter Aussendung eines Fluoreszenz-Photons über.
Letztendlich wird das ganze Molekül und dessen nächste Umgebung (das Lösungsmittel) untersucht, da das Abklingen der Fluoreszenzintensität mit mehreren exponentiell zerfallenden Zuständen zu erklären ist, die sich inter- und intramolekular und auf verschiedenen Zeitskalen abspielen. Zerfallszeiten, transiente Spektren, Anisotropie und andere charakteristische Größen von organischen Molekülen, die unter anderem in der Fluoreszenzmikroskopie oder als DNA- oder Proteinmarker verwendet werden, können auf diese Weise mit hoher Präzision vermessen werden. Der große Vorteil der Fluoreszenz-Aufkonversion ist, dass man die Relaxationsdynamik im ersten angeregten Zustand direkt messen kann und im Gegensatz zur Anrege-Abfrage (pump-probe)-Technik nicht sensitiv auf die vibronische Struktur und der Wellenpaketsdynamik im Grundzustand des Moleküls ist.