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Leitung: Prof. Dr. Beate Röder

Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Physik
AG Photobiophysik
Newtonstraße 15
12489 Berlin

roeder@physik.hu-berlin.de

Tel.: 030 - 2093 7625
Fax: 030 - 2093 7666

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Unsere Gruppe

Masterarbeiten

Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur thermischen Alterung von Polymeren: Squalan als Modellsystem

Abbildung 1: Alterungsabhängige Veränderung der Lumineszenzspektren von Polyamid 6.6 (Lumineszenintensität über der Wellenlänge für verschieden Alterungszeiten).

Die nicht-invasive Charakterisierung der Alterung von polymeren Materialien durch Lumineszenzspektroskopie (Abbildung 1) ist von herausragender Bedeutung für die Vorhersage der Lebensdauer, die Qualitäts-kontrolle und die Gewährleistung polymerer Komponenten vielfältigster Produkte. Die molekularen Grundlagen, die eine alterungs-abhängige Veränderung der detektierten Lumineszenz bedingen, sind jedoch noch weitgehend unverstanden.

In einer erst kürzlich veröffentlichen Arbeit [1] wurde ein neues Modell (Abbildung 2) zur Beschreibung der komplexen zeitlichen und spektralen Änderungen der Polymer-lumineszenz vorgestellt. Dieses Modell soll im Rahmen der Masterarbeit durch die theoretische und experimentelle Charakterisierung des Squalan-Systems untermauert werden. Dazu werden verschiedene theoretische Methoden (Monte-Carlo Verfahren, Spektrenberechnung) und experimentelle Techniken (Emissions-Anregungs- und Anisotropiespektren, zeitaufgelöste Spektroskopie im ns/ps/fs-Bereich) eingesetzt. Der Schwerpunkt der Arbeit (Experiment oder Theorie) kann individuell gestaltet werden.

Abbildung 2: Modell zur degradations¬induzierten Polymer¬lumineszenz nach [1]. Dargestellt sind die zwischen Leitungsband (CB) und Valenzband (VB) befindlichen Zustandsverteilungen, deren alterungs-abhängige Veränderung die gemessene Lumineszenz bedingen (hochenergetische Zustände gehen über in eine breite Verteilung niederenergetischer Zustände, die durch Energietransferprozesse verbunden sind).

[1] Steffen R, Wallner G, Rekstad J, Röder B. General characteristics of photoluminescence from dry heat aged polymeric materials. Polymer Degradation and Stability 2016;134:49–59. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2016.09.032.

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Untersuchungen zum Einfluss der Messgeometrie auf die Fluores-zenzquantenausbeute von Proben mit unterschiedlichen Streueigenschaften

BAM

Fluoreszierende Materialien wie molekulare Farbstoffe und nm- bis µm-große lumineszierende Partikel sind von unmittelbarer Bedeutung in den optischen Technologien und in den Lebens-wissenschaft. Für ihre Applikationen spielt die Kenntnis ihrer Fluoreszenzeigenschaften und insbesondere die Fluoreszenzquantenausbeute eine entscheidende Rolle.

Im Rahmen der Masterarbeit wird der Einfluss von Streueigenschaften unterschiedlicher Mate-rialien auf die Fluoreszenzquantenausbeuten systematisch untersucht. Aufgrund der Streuung der Messproben werden die Messungen mit einer Ulbrichtkugel (siehe Abbildung) durchgeführt. Dispersionen eines Farbstoffes (Rhodamine 6G, Itrybe) in einem organischen Lösungsmittel unter Zusatz definierter Mengen von Partikeln unterschiedlicher Größe und Materialzusammen-setzung werden hergestellt und ihre optischen Eigenschaften untersucht. Dabei werden sowohl die Konzentration der streuenden Partikel wie des Farbstoffes systematisch variiert. Für die Er-mittlung der Fluoreszenzquantenausbeuten der Proben werden verschiedene Beleuchtungs- und Messgeometrien (z.B. direkte und indirekte Anregung, siehe Abbildung) eingesetzt und die Er-gebnisse miteinander verglichen. Anschließend erfolgen analoge Untersuchungen an festen Pro-ben.

Inhalt der Masterarbeit ist es, diese Untersuchungen an einem Probensatz durchzuführen und Aussagen zu geeigneten Beleuchtungs- und Messgeometrien und erreichbaren Messunsicherhei-ten zu gewinnen, die für die weitere Bearbeitung der Problematik genutzt werden können.

Voraussetzungen: Kenntnisse der optischen Spektroskopie (möglichst Fluoreszenzspektrosko-pie) und der Datenanalyse, Interesse an experimentellen optisch-spektroskopischen Arbeiten und interdisziplinären Fragestellungen.

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  • Herr Dr. Eugeny Ermilov

    Telefon: +49 30 8104 5531

    Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM),

    1.10 Biophotonik,

    Richard-Willstätter-Str. 11, 12489 Berlin

  • Frau Prof. Dr. Beate Röder

    Telefon: +49 (30) 2093 - 7625

Kinetik der Exziton-Exziton-Annihilation

Höhere Anregungszustände von molekularen Systemen können durch die Anwesenheit vieler Exzitonen gekennzeichnet sein. Ihre Wechselwirkung untereinander resultiert in dem Prozess der Exzitonen-Vernichtung (Exziton-Exziton-Annihilation). Er beinhaltet die Umsetzung der elektronische Anregungsenergie in Wärme. Die damit verbundenen nichtlinearen kinetischen Prozesse sind wenig verstanden und sollen in der Arbeit schrittweise analysiert werden. Exziton-Exziton-Annihilation ist von Interesse für organische lichtemittierende Dioden, organische Solarzellen und die Funktion des Spasers, einer vorgeschlagenen Variante des Laser, die auf der Plasmonanregung in metallischen Nanoteilchen basiert.

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Untersuchung von transienten elektrischen Strömen durch einzelne Moleküle

Durch die Kontaktierung mit Nanoelektroden kann elektrischer Strom durch ein Molekül geleitet werden. Voraussetzung ist das Anlegen einer Spannung an die Elektroden. Im Bereich von einigen Volt kann dann eine Strom-Spannungs-Charakteristik eines einzelnen Moelküls vermessen werden. In letzter Zeit hat auch die Untersuchung transienter (zeitabhängiger) Ströme als Resultat einer gepulsten Spannung eine grössere Aufmerksamkeit gefunden. Von besonderem Interesse sind Spannungspulse im Pikosekundenbereich.

Auf der Grundlage verschiedener Modelle für die Moleküle sollen die transienten Ströme berechnet werden, die sich ausbilden, wenn einzelne Pikosekunde-Spannungspulse - aber auch Abfolgen von diesen - wirken.

Die Arbeit begleitet Untersuchungen, die im Rahmen des Projektes ''Time Resolved Transport in Molekular Junctions: Measurements and Simulations '' von der German Israel Foundation (GIF) gefördert werden.

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Energie- und Elektronentransfereigenschaften von Multi-Chromophorsystemen

Multikomponentenanalyse von zeitaufgelösten Singulettsauerstoffsignalen

Ein aktueller Fokus der Arbeitsgruppe liegt im Bereich der in vivo Detektion der Singulettsauerstoff-Lumineszenz. Dieser Nachweis ist nicht nur durch die Wellenlänge von 1270nm herausfordernd, sondern auch durch die sehr geringe Quanteneffizienz von 10-5.

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Abgesehen von der nochmals erhöhten Schwierigkeit der Detektion in vivo, bedingt durch sehr schnelle Quenchingprozesse, ist die Datenauswertung im Vergleich zu Messungen an homogenen Systemen deutlich komplizierter.

Um abschätzen zu können, welche Informationen sich mit welcher Sicherheit aus den Daten ableiten lassen, ist es notwendig heterogene Modellsysteme mit verschiedenen Photosensibilisatoren und Mikroumgebungen zu untersuchen. Dazu kann ein System aus zwei verschiedenen Photosensibilisatoren und Liposomen untersucht werden. Von Interesse sind unterschiedliche Mischungsverhältnisse der Photosensibilisatoren und die Untersuchung bei verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen. Anschließend soll untersucht werden, wie genau das gemessene Signal in seine Komponenten zerlegt werden kann.

Vorraussetzungen: Erfahrung oder Interesse an Datenanalyse mittels wissenschaftlicher Analyseprogramme (z.B. Matlab) ist erforderlich. Außerdem ist Interesse an numerischen Simulationen wünschenswert.

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Untersuchung der Sauerstoffkonzentration in EVA-Einbettmaterialien in gealterten PV Modulen

Masterarbeit (ggf. auch als Bachelorarbeit)

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PV-Minimodul: Lumineszenz / Foto.

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Vergleich der Lumineszenz, des DMA-Verlustfaktors des Einbettmaterials in der Schmelze und eines Modells der Sauerstoffkonzentration.

In der Arbeitsgruppe Photobiophysik werden Untersuchungen zur Gebrauchsdaueranalyse von Photovoltaikmodulen durchgeführt. Die Alterung eines Photovoltaikmoduls führt zur Zerstörung des Einbettungspolymers. Dabei entstehen Abbauprodukte, welche nach Anregung mit UV-Licht lumineszieren. In unserer Arbeitsgruppe wird weltweit einmalig diese Lumineszenz genutzt, um das Alterungsverhalten von Photovoltaikmodulen zu charakterisieren. Mit einem in unserer Arbeitsgruppe entwickelten, Messplatz kann diese Lumineszenz zerstörungsfrei in Photovoltaikmodulen spektral und ortsaufgelöst aufgenommen werden.

Ziel der Masterarbeit ist es, ortsabhängige Sauerstoffkonzentrationsprofile im Einbettmaterial nachzuweisen und den Zusammenhang zur Photolumineszenz zu untersuchen. Hierfür sollen die Einbettmaterialien mit speziellen Photosensibilisatoren präpariert werden, die durch Lichtanregung molekularen Sauerstoff zu Singulettsauerstoff aktivieren können. Es kann der in der Arbeitsgruppe entwickelte Aufbau zum zeitaufgelösten Singulettsauerstoff-Nachweis eingesetzt werden. Durch die Auswertung der ortsaufgelösten Singulettsauerstoffkinetik kann auf die lokale Sauerstoffkonzentration geschlossen werden.

Voruntersuchungen zu dieser Fragestellung können auch im Rahmen eines Forschungspraktikums (mit Perspektive BA/MA) bearbeitet werden.

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Singulettsauerstoff-Lumineszenzkinetik in Zellen – Korrelation zur Zellvitalität

Singulettsauerstoff ist eine der reaktiven Sauerstoffspezies und an der Steuerung wichtiger biologischer Prozesse beteiligt, wirkt aber auch phototoxisch und trägt zu Sonnenbrand und zahlreichen Alterungserscheinungen der Haut bei.

Singulettsauerstoff spielt eine Schlüsselrolle in der photodynamischen Therapie (PDT) zur Behandlung unterschiedlicher Erkrankungen, wie z. B. oberflächliche- und Hauttumore, sowie von Psoriasis.

In der AG Photobiophysik wurden weltweit erstmals Änderungen in der Singulettsauerstoff-Lumineszenzkinetik in lebenden Zellen während der Belichtung mit therapeutisch relevanten Lichtdosen beobachtet (siehe hier). Der photodynamische Effekt verbraucht Sauerstoff, wenn dieser nach Aktivierung chemisch mit etwaigen Zellbestandteilen (Quencher) reagiert. Dabei ändert sich die lokale Konzentration dieser Quencher, womit sich zwangsläufig die beobachtete Reaktionskinetik ändert.

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Zusammenhang von Singulettsauerstoff-Lumineszenzkinetik und Zellvitalität.
a) Ungeschädigte Zelle zu Beginn der Belichtung
b) Stark geschädigte Zelle nach längerer belichtung

Als Quencher treten in der Regel Proteine auf, die für die Zelle lebensnotwendig sind. Daraus kann eine Korrelation zwischen der Singulettsauerstoffkinetik nach Belichtung und der Zellvitalität abgeleitet werden. Diese Korrelation soll für verschiedene Zelltypen untersucht werden.

Es gab bereits erste Untersuchungen zu dieser Frage in der AG PBP, wobei ein grundsätzlicher Zusammenhang nachgewiesen werden konnte. Dies gilt es jetzt für verschiedene Zellen, mit verbesserter Technik publikationsfähig zu analysieren.

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