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Die Photophysik und Photochemie von Flavinen sind aufgrund ihrer biologischen Funktion, inbesondere von Flavoproteinen, von großen Interesse. Flavoproteine spielen eine große Rolle in einer Vielzahl von biologischen Prozessen, z.B. Biolumineszenz, Entfernung von Radikalen, die bei oxidativem Stress entstehen, Photosynthese und DNA-Reparatur. Die spektroskopischen Eigenschaften des Flavin-Cofaktors machen diesen zu einem natürlichen Reporter für Veränderungen innerhalb des aktiven Zentrums. Deshalb sind die Flavoproteine eine der am meisten untersuchten Enzymfamilien. Eine biologische Aktivität des Flavins führt über einen elektronisch angeregten Zustand, wo dann, abhängig von der Aminosäureumgebung, ein bestimmter Mechanismus zu einem biologischen Prozess führt (Photozyklus). Ein wichtiges Analysetool zum Verständnis des anfänglichen Photoanregungsschritts der Flavine sind die elektronische und die Schwingungsspektroskopie. In dieser Arbeit wurden die Prozesse von Riboflavin (RF) während und nach optischer Anregung mit theoretischen Mitteln beleuchtet. Dazu wurden quantenchemische Berechnungen für Schwingungsspektren (vibratorische) von Riboflavin, auch Laktoflavin oder Vitamin B2 genannt, dem Grundmolekül der Chromophore biologischer Blaulichtrezeptoren, in dessen elektronischem Grundzustand und dessen niedrigsten angeregten Zustand durchgeführt. Weiterhin wurden vibronische (vibratorische+elektronische) Absorptionsspektren und ein vibronisches Emissionsspektrum berechnet. Die so berechneten Schwingungs- und elektronischen Spektren sind in guter qualitativer wie quantitativer Übereinstimmung mit gemessenen Werten, und helfen so, die experimentellen Signale der Photoanregung von Flavinen zuzuweisen. Unmittelbar nach der Photoanregung wurde ein Verlust des Doppelbindungscharakters im polaren Bereich des Ringssystems beobachtet, was zu der vibronischen Feinstruktur im elektronischen Absorptions- und Emissionsspektrum führte. Hier zeigte sich zudem, dass neben den vibronischen Effekten auch die Lösungsmitteleffekte wichtig für das quantitative Verständnis der Photophysik der Flavine in Lösung sind. Um Details des optischen Anregungsprozesses als initialen, elementaren Schritt zur Signalweiterleitung zu entschlüsseln, wurden ultraschnelle (femtosekundenaufgelöste) Experimente durchgeführt, die die Photoaktivierung des Flavins untersuchen. Diese Arbeit soll zu einem weiteren Verständnis und der Interpretation dieser Experimente durch das Studium der Post-Anregungsschwingungsdynamik von Riboflavin und mikrosolvatisiertem Riboflavin beitragen. Dazu wurde eine 200 fs lange Molekulardynamik in angeregten Zuständen betrachtet. Durch die Analyse charakteristischer Atombewegungen und durch die Berechnungen zeitaufgelöster Emissionsspektren fand man heraus, dass nach der optischen Anregung Schwingungen im Ringssystem des Riboflavins einsetzen. Mit Hilfe dieser Berechnungen kann die Umverteilung der Energie im angeregten Zustand beobachtet werden. Neben den theoretischen Untersuchungen zu Riboflavin in der Gasphase und auch in Lösung wurde ein Modell für eine BLUF (Blue-Light Photoreceptor Using Flavin) Domäne, ein Flavin benutzender Photorezeptor, erstellt. Hierbei zeigt sich, dass man die in dieser Arbeit angewendeten Analysemethoden auch auf biologisch relevante Systeme anwenden kann.
Flavins are chromophores in light-gated enzymes and therefore central in many photobiological processes. To unravel the optical excitation process as the initial, elementary step towards signal transduction, detailed ultrafast (femtosecond) experiments probing the photo-activation of flavins have been carried out recently [Weigel et al., J. Phys. Chem. B, 2011, 115, 3656-3680.]. The present paper contributes to a further understanding and interpretation of these experiments by studying the post-excitation vibrational dynamics of riboflavin (RF) and microsolvated riboflavin, RF center dot 4H(2)O, using first principles non-adiabatic molecular dynamics. By analyzing the characteristic atom motions and calculating time-resolved stimulated emission spectra following pi pi* excitation, it is found that after optical excitation C-N and C-C vibrations in the isoalloxazine rings of riboflavin set in. The Franck-Condon (vertically excited) state decays within about 10 fs, in agreement with experiment. Anharmonic coupling leads to Intramolecular Vibrational energy Redistribution (IVR) on the timescale of about 80-100 fs, first to (other) C-C stretching modes of the isoalloxazine rings, then by energy spread over the whole molecule, including low-frequency in-plane modes. The IVR is accompanied by a red-shift and broadening of the emission spectrum. When RF is microsolvated with four water molecules, an overall redshift of optical spectra by about 20 nm is observed but the relaxation dynamics is only slightly affected. For several trajectories, a tendency for hydrogen transfer from water to flavin-nitrogen (N-5) was found.
We explore the photophysics of P(NDI2OD-T2), a high-mobility and air-stable n-type donor/acceptor polymer. Detailed steady-state UV-vis and photoluminescence (PL) measurements on solutions of P(NDI2OD-T2) reveal distinct signatures of aggregation. By performing quantum chemical calculations, we can assign these spectral features to unaggregated and stacked polymer chains. NMR measurements independently confirm the aggregation phenomena of P(NDI2OD-T2) in solution. The detailed analysis of the optical spectra shows that aggregation is a two-step process with different types of aggregates, which we confirm by time-dependent PL measurements. Analytical ultracentrifugation measurements suggest that aggregation takes place within the single polymer chain upon coiling. By transferring these results to thin P(NDI2OD-T2) films, we can conclude that film formation is mainly governed by the chain collapse, leading in general to a high aggregate content of similar to 45%. This process also inhibits the formation of amorphous and disordered P(NDI2OD-T2) films.