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Neue Methode erlaubt Spektroskopie an einzelnen Molekülen

An der Grenze der Nachweisbarkeit

A. Battenberg / TUM

Prof. Dr. Juergen Hauer (li) und Erstautor Erling Thyrhaug mit ihrem Messinstrument. Im Hintergrund Spektren, die damit aufgenommen wurden.

08.03.2019: Während spektroskopische Messungen normalerweise über viele Moleküle mitteln, liefert eine an der Technischen Universität München (TUM) entwickelte, neue Methode 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 den TUM-Chemiker Professor Jürgen Hauer ist es nun 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 bestimmten, 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.“

Kompaktes Gerät, schnelle Messung

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. Die Messung selbst ist relativ einfach. „Um neun Uhr morgens haben wir das Gerät in den Aufbau an der Universität Kopenhagen eingebaut“, erzählt Hauer. „Schon um halb zwölf gab es erste brauchbare Messdaten.“

Der Photosynthese auf der Spur

Mit Hilfe der neuen Spektroskopie-Methode 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 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.

Das Ziel: Organische Solarzellen

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.

Originalveröffentlichung:
"Single-molecule excitation–emission spectroscopy"; Erling Thyrhaug, Stefan Krause, Antonio Perri, Giulio Cerullo, Dario Polli, Tom Vosch, and Jürgen Hauer; PNAS; 15.02.2019

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