Entwicklung von VIPER-Labeln zur Erweiterung der 2D-IR-Spektroskopie molekularer Gleichgewichtsdynamik von Femtosekunden bis zu Mikrosekunden

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Bredenbeck; Professor Dr. Alexander Heckel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570735703

Das Verständnis molekularer Dynamik ist von zentraler Bedeutung in den molekularen Wissenschaften. Die zweidimensionale Infrarotspektroskopie (2D-IR) hat die Erforschung schneller molekularer Prozesse im Gleichgewicht maßgeblich vorangebracht. Sie erfasst Dynamik durch die Messung der spektralen Diffusion, also der Frequenzfluktuationen molekularer Schwingungen. Allerdings stößt sie an eine fundamentale Grenze: Ihr Beobachtungszeitfenster ist durch die kurzen Lebensdauern der Schwingungsanregungen auf wenige Pikosekunden beschränkt. Ein erheblicher Teil der Dynamik komplexer Systeme – beispielsweise von Proteinen, Membranen oder strukturierten Flüssigkeiten – bleibt dadurch unzugänglich. Dieses Projekt verfolgt hier einen innovativen Ansatz: Die VIPER 2D-IR-Spektroskopie (Vibrationally Promoted Electronic Resonance 2D-IR) durchbricht diese Grenze, indem sie die Lebensdauer des 2D-IR-Signals von der Lebensdauer der Schwingungen entkoppelt. Mittels vibronischer Kopplungen werden selektiv schwingungsangeregte Moleküle in langlebige elektronische Zustände überführt. So kann die spektrale Diffusion nicht nur über wenige Pikosekunden, sondern bis in den Nano- und Mikrosekundenbereich verfolgt werden. Die erfolgreiche Anwendung der VIPER 2D-IR Spektroskopie erfordert jedoch eine neue Klasse spektroskopischer Label, die gezielt für die Nutzung vibronischer Kopplungen ausgelegt sind. Ziel dieses Projektes ist die die Entwicklung dieser neuen Klasse von Labeln. Erste Machbarkeitsstudien mit 2-Isopropylthioxanthon (ITX) haben die prinzipielle Realisierbarkeit gezeigt, ITX weist jedoch eine sehr geringe Signalgröße auf und seine 2D-IR-Spektren sind durch Fermiresonanzen verzerrt. Zur Entwicklung leistungsfähiger VIPER-Label wird ein gestufter Screening-Ansatz verfolgt, basierend auf einer bewährten Kooperation zwischen Spektroskopie (Bredenbeck) und Synthese (Heckel), unterstützt durch theoretische Modellierung (Burghardt). Das Screening beginnt mit kommerziell verfügbaren Verbindungen und führen schrittweise zu maßgeschneiderten, für den VIPER 2D-IR Ansatz optimierten Labeln. So soll ein vielseitiges Repertoire an VIPER-Labeln bereitgestellt werden, das bislang unzugängliche Information über Gleichgewichtsdynamik im Femto- bis Mikrosekundenbereich in einer Vielzahl von komplexen molekularen Systemen erschließt – von strukturierten Flüssigkeiten bis hin zu biomolekularen Systemen wie Proteinen und Membranen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Irene Burghardt