Juniorprofessur für Spektroskopie kondensierter Materie

 

Superauflösende Fluoreszenzmikroskopie an Mikrogelen und Mikrogel-Systemen

  Superres Microgels Dominik Wöll

Die Aufklärung der Struktur von kompartimentalisierten Mikrogelen und Mikrogel-Strukturen stellt aufgrund des schwachen Kontrastes in der Elektronenmikroskopie und des Beugungslimits von Licht eine große Herausforderung dar. Mittels moderner superauflösender Fluoreszenzmikroskopie-Methoden wie dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy) können Strukturen mit einer 10-50 nm Auflösung in situ abgebildet werden. Über direkte dreidimensionale Lokalisierung oder eine Analyse von 2D Projektionen lassen sich unterschiedliche Architekturen von Mikrogelen unterscheiden und quantitativ erfassen. Hierfür wurde das Software-Tool SoMaCoFit entwickelt.

Dieses Projekt ist ein Teilprojekt des High Resolution Fluorescence Microscopy Competence Center FLAMENCO im Rahmen des RWTH-Profilbereichs „Molecular Science and Engineering“. Einen Film dazu finden Sie hier.

 
 

Diarylethene als Photoschalter für superauflösende Fluoreszenzmikroskopie in weicher Materie

  Photoswitches Dominik Wöll

Superauflösende Fluoreszenzmikroskopiemethoden haben sich in den Lebenswissenschaften etabliert. Die Anwendung dieser Methoden auf die Materialwissenschaften, und insbesondere auf apolare Polymersysteme ist eine Herausforderung, da hierfür geeignete Farbstoffe und Markierungsstrategien benutzte werden müssen. Die meisten superauflösenden Mikroskopiemethoden beruhen auf dem Schalten von Fluorophoren zwischen einer fluoreszierenden und einer nicht-fluoreszierenden Form. Diarylethene können zwischen einer offenen und einer geschlossenen Ringstruktur hin- und hergeschalten werden können stellen den Kern verschiedener lichtgetriebener molekularer Schalter dar. Wir untersuchen den Einsatz verschiedener Diarylethen-Photoschaltern mit hohen Fluoreszenzquantenausbeuten in der geschlossenen Form und mit geeigneter Photokinetik für photoaktivierte Lokalisierungmikroskopie (PALM) und Superresolution Optical Fluctuation Imaging (SOFI) in Polymersystemen. Auf diese Weise konnten wir selbstorganisierte Blockkopolymerstrukturen nanoskopisch visualisieren.

 

Einzelmoleküldynamik in dünnen Polymerfilmen in der Nähe der Glasübergangstemperatur

  Einzelmoleküldynamik Dominik Wöll

Mittels der Beobachtung Einzelmolekültranslations- und Einzelmolekülrotationsbewegung untersuchen wir die Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur von der Nähe zu Grenzflächen. Hierzu entwickelten wir einen Heiztisch für Mikroskope, mit dem wir bis zu Temperaturen von ca. 150 °C messen können. Dies erlaubt uns technisch wichtige Polymere wie Polystyrol oder Polymethylmethacrylate an deren Glasübergangstemperatur zu untersuchen. Wir beobachteten hierbei eine Verteilung von Diffusionskoeffizienten einzelner Moleküle, die stark vom der Filmdicke anhängt, siehe Abbildung unten. Die Ergebnisse konnten mittels Monte Carlo Random Walk Simulationen mit einer erniedrigten Glasübergangstemperatur an der Polymer-Luft-Grenzfläche und einer dort leicht erhöhten Aufenthaltswahrscheindlicheit von Farbstoffmolekülen erklärt werden. Aktuell versuchen wir die Bewegung direkt mit der axialen Position der Moleküle zu verknüpfen.

 

Fluoreszenztechniken zur Bestimmung von Translations- und Rotationsbewegung

  Fluoreszenztechniken Dominik Wöll

Wir analysieren die Bewegung einzelner Moleküle und einzelner Nanopartikel, um auf molekularer Ebene neue Einsichten in dynamische Prozesse zu erhalten und deren statische und dynamische Heterogenitäten aufzuklären. Die Ergebnisse unserer Forschung sind nicht nur von grundlegender Bedeutung, sondern auch essentiell für die Entwicklung neuer Materialien.

Durch Kombination verschiedener Fluoreszenzmikroskopie-Methoden entwickelten wir ein Konzept zur Beobachtung von Translations- und Rotationsbewegung über einen Diffusionskoeffizienten-Bereich von 12 Größenordnungen. Damit können wir die Mobilität von Molekülen und Nanopartikeln sowohl in niederviskosen Lösungen als auch in hochviskosen Polymeren beobachten. Die verschiedenen Methoden sind in der Abbildung unten dargestellt.

 

Photoschaltbare multichromophore Systeme für die Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie

  Photoschaltbare multichromophore Systeme Dominik Wöll

Wir synthetisieren und charakterisieren neuartige photospaltbare Energieübertragungs-Diaden und verwenden diese zur Erhöhung der Genauigkeit von Einzelmolekülverfolgungs-Experimenten. Zunächst sind Energiedonor und Energieakzeptor kovalent miteinander verknüpft, bewegen sich korreliert, und die Diade zeigt effiziente Energieübertragung. Nach der Photospaltung können sich die beiden Chromophore unabhängig voneinander bewegen. Damit kann über Zwei-Farben-Fluoreszenzmikroskopie die Bewegung der gespaltenen Hälften beobachtet, und über die zeitliche Abnahme der Energieübertragungseffizienz langsame Bewegung auf Nanometerskala analysiert werden.

 

Skalierung von Translations- und Rotationsdiffusion in polymerisierenden Lösungen

 

Änderung der Diffusionsbewegung während radikalischer Massepolymerisationen von Styrol und Methylmethacrylat werden mittels Einzelmolekülfluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, FCS, beobachtet.

  Skalierung Dominik Wöll

Mittels FCS mit voller Korrelation, fcFCS, konnte gezeigt werden das die relative Abnahme des Rotationsdiffusionskoeffizienten mit zunehmender Konversion für verschieden große Fluoreszenzsonden gleich verlief, während die Translationsbewegung von großen Sonden mit zunehmendem Monomer-zu-Polymer-Umsatz signifikant langsamer wurde. Der Grund hierfür liegt unserer Meinung nach darin, dass über Translations- bzw. Rotationsbewegung Viskosität auf verschiedenen Längenskalen gemessen wird.

 

Mobilität von Nanopartikeln

  Mobilität Dominik Wöll

Mittels Fluoreszenzmikroskopie untersuchen wir die Bewegung von Nanopartikeln, wobei hierbei speziell die deren Abhängigkeit von der Form genauer betrachtet wird. So haben wir uns bisher auf Tonplättchen und formanisotrope semi-kristalline Polyethylen-Nanopartikel konzentriert. Durch geschickte Markierung der Nanopartikel, soll erreicht werden, nicht nur deren Translations- sondern auch deren Rotationsbewegung zu beobachten.

 

Neue Einzelmolekülverfolgungs-Algorithmen

  Einzelmolekülverfolgungs-Algorithmen Dominik Wöll

Die Positionierung einzelner Moleküle mit hoher Genauigkeit und deren zuverlässige Verfolgung und Verknüpfung zu Trajektorien stellt eine große Herausforderung ohne universelles Patentrezept dar. In Zusammenarbeit mit Dr. A. Karrenbauer vom MPI Saarbrücken entwickeln wir neue Tracking-Algorithmen, die über anpassbare Kostenfunktionen äußerst effizient optimale Lösung für die Verknüpfung von Positionen zu Trajektorien finden. Dabei wird insbesondere darauf Wert gelegt, dass der Algorithmus für hohe Punktdichten und stark blinkende Punkte möglichst gut funktioniert. Diese Situationen treten oft bei Einzelmolekülverfolgung auf.