Technische Universität Braunschweig
  • Studium & Lehre
    • Vor dem Studium
      • Informationen für Studieninteressierte
      • Studiengänge von A-Z
      • Bewerbung
      • Fit4TU - Self-Assessment
      • Beratungsangebote für Studieninteressierte
      • Warum Braunschweig?
    • Im Studium
      • Erstsemester-Hub
      • Semestertermine
      • Lehrveranstaltungen
      • Studien-ABC
      • Studienorganisation
      • Beratungsnavi
      • Zusatzqualifikationen
      • Finanzierung und Kosten
      • Besondere Studienbedingungen
      • Gesundheit & Wohlbefinden
      • Campusleben
    • Nach dem Studium
      • Exmatrikulation und Vorlegalisation
      • Nach dem Abschluss
      • Alumni*ae
    • Strategien und Qualitätsmanagement
      • Qualitätsmanagement
      • Systemakkreditierung
      • Studienqualitätsmittel
      • TU Lehrpreis
    • Für Lehrende
      • Informationen für Lehrende
      • Konzepte
      • Lernmanagementsystem Stud.IP
    • Kontakt
      • Studienservice-Center
      • Sag's uns - in Studium und Lehre
      • Zentrale Studienberatung
      • Immatrikulationsamt
      • Abteilung 16 - Studium und Lehre
      • Career Service
      • Projekthaus
  • Forschung
    • Forschungsprofil
      • Forschungsschwerpunkte
      • Exzellenzcluster der TU Braunschweig
      • Forschungsprojekte
      • Forschungszentren
      • Forschungsprofile der Professuren
    • Frühe Karrierephase
      • Förderung in den frühen Phasen der wissenschaftlichen Karriere
      • Promotion
      • Nachwuchsgruppenleitung
      • Junior Professur und Tenure-Track
      • Habilitation
      • Service-Angebote für Wissenschaftler*innen
    • Forschungsdaten & Transparenz
      • Transparenz in der Forschung
      • Forschungsdaten
      • Open Access Strategie
      • Digitale Forschungsanzeige
    • Forschungsförderung
      • Netzwerk Forschungsförderung
      • Datenbanken und Stiftungen
    • Kontakt
      • Forschungsservice
      • Graduiertenakademie
  • International
    • Internationale Studierende
      • Warum Braunschweig?
      • Studium mit Abschluss
      • Austauschstudium
      • TU Braunschweig Summer School
      • Geflüchtete
      • International Student Support
      • International Career Service
    • Wege ins Ausland
      • Studium im Ausland
      • Praktikum im Ausland
      • Lehren und Forschen im Ausland
      • Arbeiten im Ausland
    • Internationale Forschende
      • Welcome Support for International Researchers
      • Service für gastgebende Einrichtungen
    • Sprachen und interkulturelle Kompetenzvermittlung
      • Deutsch lernen
      • Fremdsprachen lernen
      • Interkulturelle Kompetenzvermittlung
    • Internationales Profil
      • Internationalisierung
      • Internationale Kooperationen
      • Strategische Partnerschaften
      • Internationale Netzwerke
    • International House
      • Wir über uns
      • Kontakt & Sprechstunden
      • Aktuelles und Termine
      • International Days
      • 5. Studentische Konferenz: Internationalisierung der Hochschulen
      • Newsletter, Podcast & Videos
      • Stellenausschreibungen
  • Die TU Braunschweig
    • Unser Profil
      • Ziele & Werte
      • Ordnungen und Leitlinien
      • Allianzen & Partner
      • Hochschulentwicklung 2030
      • Internationale Strategie
      • Fakten & Zahlen
      • Unsere Geschichte
    • Karriere
      • Arbeiten an der TU
      • Stellenmarkt
      • Berufsausbildung an der TU
    • Wirtschaft & Unternehmen
      • Unternehmensgründung
      • Freunde & Förderer
    • Öffentlichkeit
      • Veranstaltungskalender
      • Check-in für Schüler*innen
      • Hochschulinformationstag (HIT)
      • CampusXperience
      • Kinder-Uni
      • Das Studierendenhaus
      • Gasthörer*innen & Senior*innenstudium
      • Nutzung der Universitätsbibliothek
    • Presse & Kommunikation
      • Stabsstelle Presse und Kommunikation
      • Medienservice
      • Ansprechpartner*innen
      • Tipps für Wissenschaftler*innen
      • Themen und Stories
    • Kontakt
      • Allgemeiner Kontakt
      • Anreise
      • Für Hinweisgeber
  • Struktur
    • Leitung & Verwaltung
      • Das Präsidium
      • Stabsstellen
      • Verwaltung
      • Organe, Statusgruppen und Kommissionen
    • Fakultäten
      • Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät
      • Fakultät für Lebenswissenschaften
      • Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
      • Fakultät für Maschinenbau
      • Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
      • Fakultät für Geistes- und Erziehungswissenschaften
    • Institute
      • Institute von A-Z
    • Einrichtungen
      • Universitätsbibliothek
      • Gauß-IT-Zentrum
      • Zentrale Personalentwicklung
      • International House
      • Projekthaus
      • Transferservice
      • Hochschulsportzentrum
      • Einrichtungen von A-Z
    • Studierendenschaft
      • Studierendenparlament
      • Fachschaften
      • Studentische Wahlen
    • Lehrer*innenbildung
      • Lehrer*innenfortbildung
      • Forschung
    • Chancengleichheit
      • Gleichstellung
      • Familie
      • Diversität
    • Kontakt
      • Personensuche
  • Suche
  • Schnellzugriff
    • Personensuche
    • Webmail
    • cloud.TU Braunschweig
    • Messenger
    • Mensa
    • TUconnect (Studierendenportal)
    • Lehrveranstaltungen
    • Im Notfall
    • Stud.IP
    • UB Katalog
    • Status GITZ-Dienste
    • Störungsmeldung GB3
    • IT Dienste
    • Informationsportal (Beschäftigte)
    • Beratungsnavi
    • Linksammlung
    • DE
    • EN
    • Bluesky
Menü
  • Struktur
  • Fakultäten
  • Fakultät für Lebenswissenschaften
  • Institute
  • Physikalische und Theoretische Chemie
  • AG Walla
  • Forschung
Logo Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der TU Braunschweig

One ane Two Photon exitation of polyenes and tetrapyrrols

Polyenes such as carotenoids often play a crucial role in native pigment protein complexes, for instance, in photosynthetic light-harvesting complexes. For example, it is generally assumed that they play a pivotal role in regulating the flow of energy in the photosynthetic apparatus under varying light irradiation conditions. However, the exact molecular mechanism is still under debate.

Melecular gear shift mechanism
Figure 1

One difficulty in addressing the involvement of polyenes in energy transfer processes is the fact that their first excited state, S1, is optically forbidden, i.e. it is neither contributing to their absorption spectrum and is the reason why polyenes are in general rather non-fluorescent. For example the orange color of many carotenoids, for example, is only due to the absorption of the second excited state in the blue spectral region. However, after excitation of polyenes via the second excited state, the optically forbidden, first excited state is very quickly populated within a few hundreds of femtoseconds. In general, this optical forbidden state plays a very important role to understand photophysical processes in particular in the presence of the class of tetrapyrrole molecules. They have very similar first excited state energies and include also molecules such as Chlorophylls. Experimentally, it is known from many studies that quite effective energy transfer between the optical forbidden first excited state of polyenes and tetrapyrrole molecules is possible. An approach to gain more insight in the involvement of the first excited state of polyenes in the involvement in the energy flow to tetrapyrroles is two-photon excitation. This is possible since the optical selection rules are different for two-photon excitation. Considerations of the symmetry of the orbitals involved show that the first excited state of polyenes is actually two-photon excitable. In the figure one of the most simplistic system is shown that directly demonstrates the information gained from this approach. It shows the fluorescence intensity observed from the tetrapyrolle compound phtalocyanine (PCs) in directly connected to carotenoids of different conjugation length. The data show a comparison of the PC fluorescence observed upon one-photon excitation (OPE) at absorption wavelengths (black) corresponding to direct PC excitation and upon two-photon excitation (TPE) using wavelengths corresponding the first excited state energies of the carotenoids (RED).

TPE-Graph and Struktures
Figure 2

The results clearly demonstrate that the fluorescence observed from PC upon two-photon excitation, FTPE, of carotenoids containing nine double bonds and covalently linked to the PC (9DB dyad) is significantly higher than that of PC alone (Pc1). One-photon excitation of both compounds yield very similar fluorescence intensities, FOPE, demonstrating that the fluorescence quantum yield of PC is affected only very little by the presence of the carotenoid. Considering limited carotenoid to PC energy transfer and the reduction in the fluorescence quantum yield of PC to about 90 % (compare FOPE for Pc1 and the 9DB dyad) the relative intensities observed after TPE with and without carotenoids demonstrate that at the chosen TPE-wavelength the probability of selectively exciting the dark state of the carotenoids is ~80% whereas the probability of direct tetrapyrolle two-photon excitation is correspondingly smaller. In the compound in which PC is linked to a carotenoid containing eleven double bonds (11DB dyad) the fluorescence quantum yield of PC is much lower due to efficient energy transfer from PC to the non-fluorescing carotenoid. These data quantify the differences in two-photon excitation efficiency of polyenes and tetrapyrrols and demonstrate the expected signals observed in the presence of energy transfer either towards the polyenes or the tetrapyrolls in very well defined systems.

[1] A. Pieper, M. Hohgardt, M. Willich, D. A. Gacek, N. Hafi, D. Pfennig, A. Albrecht, P. J. Walla, "Biomimetic light-harvesting funnels for re-directioning of diffuse light", Nat. Commun., 9, 666 (2018).
[2] D. A. Gacek, A. L. Moore, T. A. Moore, P. J. Walla, "Two-Photon Spectra of Chlorophylls and Carotenoid–Tetrapyrrole Dyads", J. Phys. Chem. B, 121 (43), 10055-10063 (2017).
[3] P.-N. Liao, S. Pillai, D.Gust, T.A. Moore, A.L. Moore, and P.J. Walla, "Two-photon study on the electronic interactions between the first excited singlet states in carotenoid-tetrapyrrole dyads", J. Phys. Chem. A, 115, 4082-4091 (2011).
The Study contains also further valuable insights into the question how bidirectional energy transfer may play a role in carotenoid-tetrapyrol interactions.
[4] L. Wilk, M. Grunwald, P.-N. Liao, P. J. Walla, W. Kühlbrandt,"Direct interaction of the major light-harvesting complex II and PsbS in nonphotochemical quenching", PNAS, 110, 5452-5456 (2013).
[5] S. Bode, C. C. Quentmeier, P. N. Liao, N. Hafi, T. Barros, L. Wilk, F. Bittner, P. J. Walla "On the regulation of photosynthesis by excitonic interactions between carotenoids and chlorophylls", PNAS, 106, 30, 12311-12316 (2009).
[6] P. J. Walla, P. A. Linden, C.–P. Hsu, G. D. Scholes and G. R. Fleming,"Femtosecond dynamics of the forbidden carotenoid S1 state in light-harvesting complexes of purple bacteria observed after two-photon excitation", Proc. Natl. Acad. Sci. 97, 10808–-0813 (2000).
 

Bildnachweise dieser Seite

Forschung

Arbeitsgruppen
AG Bauerecker
AG Hohm
AG Jacob
AG Maul
AG Proppe
AG Tschierlei 
AG Walla

Assoziierte Gruppen
AG Muñoz (GRS)

Emeriti
AG Becker
AG Gericke

Institut

Personal
Leitung
Institutsvorstand
Personalverzeichnis

Einrichtungen
Werkstatt
Schülerlabor Chemie
Agnes-Pockels-Labor

Dokumente
Institutsordnung
Betriebsanweisungen
Laserschutz
Notrufblatt

Service

Campusplan
Veranstaltungskalender
Hochschulöff. Bekanntmachungen
Vertrauenspersonen
Whistle Blowing

Ticket GITZ
Ticket GB3
Energie-Webportal

Kontakt

Technische Universität Braunschweig
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie

Gaußstraße 17
38106 Braunschweig
Postfach 3329
38023 Braunschweig
Telefon 0531 3915325

Im Notfall

© Technische Universität Braunschweig
Impressum Datenschutz Barrierefreiheit

Zur anonymisierten Reichweitenmessung nutzt die TU Braunschweig die Software Matomo. Die Daten dienen dazu, das Webangebot zu optimieren.
Weitere Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.