Within the last years, e.g. by investigating the fluorescence of single molecules in biological cells, remarkable progress has been made in cell biology extending conventional ensemble techniques concerning temporal / spatial resolution and the detection of particle subpopulations [82]. In addition to employing single fluorophores as "molecular beacons" to determine the position of biomolecules, single molecule fluorescence studies allow to access the photophysical dynamics of genetically encoded fluorescent proteins itself. However, in order to gain statistically consistent results, e.g. on the mobility behavior or the photophysical properties, the fluorescence image sequences have to be analyzed in a preferentially automated and calibrated (non-biased) way. In this thesis, a single molecule fluorescence optical setup was developed and calibrated and experimental biological in-vitro systems were adapted to the needs of single molecule imaging. Based on the fluorescence image sequences obtained, an automated analysis algorithm was developed, characterized and its limits for reliable quantitative data analysis were determined. For lipid marker molecules diffusing in an artifcial lipid membrane, the optimum way of the single molecule trajectory analysis of the image sequences was explored. Furthermore, effects of all relevant artifacts (specifically low signal-to-noise ratio, finite acquisition time and high spot density, in combination with photobleaching) on the recovered diffusion coefficients were carefully studied. The performance of the method was demonstrated in two series of experiments. In one series, the diffusion of a fluorescent lipid probe in artificial lipid bilayer membranes of giant unilamellar vesicles was investigated. In another series of experiments, the photoconversion and photobleaching behavior of the fluorescent protein Kaede-GFP was characterized and protein subpopulations were identified.

This work is about the reaction around both isomeres of formylcations, formylcation (HCO+) and isoformylcation (HOC+). In interstellar chemistry these isomeres are of significant importance: radio astronomic measurements have detected the metastabil isomere HOC+ in present of the stabil isomere HCO+ in many objects. The HOC+ was found in photon dominated regions like (SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) as well as in dense clouds like DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E)). The ratecoefficiants for reactions forming both isomeres have been measured. Further more the ratecoefficiant for the isomerisation of isoformyl (HOC+) with molecular hydrogen has been measured at 25 K. / In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu dem Ionensystem Formylkationen (HCO+) / Isoformylkationen (HOC+) vorgestellt. In der interstellaren Chemie kommt diesen Isomeren eine hohe Bedeutung zu: neuere radioastronomische Beobachtungen haben das metastabile Ion HOC+ in Anwesenheit des stabilen Isomers HCO+ in einer Vielzahl von interstellaren Umgebungen nachgewiesen. Das HOC+ - Isomer ist in signifikanter Dichte sowohl in Photon - dominierten Gebieten (wie z.B. SgrB2, NGC 7538 und NGC 2024) als auch in Dichten Molekularen Wolken (wie z.B. DR21 (OH), W51M, W3 (OH), Orion (3N, 1E), Orion KL, und G34.3) festgestellt worden. Es konnten die Ratenkoeffizienten für die Bildungsreaktionen beider Isomere bestimmt werden. Des weiteren konnte die Isomerisierung von Isoformylkationen (HOC+) mit Wasserstoff (H2) bei 25 K estimmt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit werden DNA-Basen-Moleküle (Thymin, Cytosin, Adenin und Guanin) auf H-passivierten Si(111)-Substraten mittels theoretischer Berechnungen und optischen Spektroskopien charakterisiert. Für ein einzelnes DNA-Basen-Molekül wurden quantenchemische Berechnungen von Elektronenübergängen und vibronischen Moden durchgeführt. Zusätzlich wurden die vibronischen Eigenschaften von Metall(Ag,In)/Cytosin-Komplexen sowie die Adsorption von einzelnen Cytosin-Molekülen auf H:Si(111)-Oberflächen studiert. Die biomolekularen Schichten von DNA-Basen wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf flachen und vicinalen H:Si(111)-Oberflächen hergestellt. Die Morphologie, Struktur und Kristallinität von DNA-Basen-Schichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenreflektometrie (XRR) charakterisiert. Die Vibrationseigenschaften von biomolekularen Schichten wurden experimentell durch Infrarotspektrokopie untersucht. Metall(Ag,In)/Cytosin/H:Si(111)-Heterostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden erstmals die optischen Konstanten und die dielektrischen Funktionen von dicken DNA-Basen-Schichten auf ebenen H:Si(111)-Oberflächen mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE) bestimmt. Ebenfalls zum ersten Mal wurden dünne biomolekulare Schichten auf vicinalen H:Si(111)-Oberflächen durch Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS) charakterisiert.

Der Erste dieser Arbeit befasst sich mit der STM Untersuchung einer Grenzschicht in umgebender Atmosphäre, welche sich durch die Adsorption von Graphen auf einer Glimmeroberfläche ausbildet. Durch die umgebene Luftfeuchtigkeit interkalieren Wassermoleküle in diese Grenzschicht. Durch die Variation der relativen Luftfeuchtigkeit gibt diese Wasser ab bzw. nimmt auf, und es manifestieren sich sternförmig wachsende Fraktale, in denen Graphen etwa um den Durchmesser eines Wassermoleküls an Höhe absinkt. Die STM Untersuchung, welche primär sensitiv auf die Zustandsdichte von Graphen reagiert, zeigte, dass sich anders als in den SFM Untersuchungen, zusätzliche signifikante Höhenänderungen von Graphen innerhalb der Fraktale bildeten. Dieses deutet auf eine Wasserschicht hin, welche Domänen mit signifikant unterscheidbaren Polarisationsrichtungen aufweisen, welche die Zustandsdichte von Graphen verändern kann. Dies ist aber gleichbedeutend mit der Annahme, dass sich in jener Grenzschicht mindestens zwei oder mehr lagen Wasser bilden müssen. Der zweiten Teil befasst sich mit der STM Untersuchung einer funktionalisierten Oberfläche die charakterisiert ist durch eine leitende Oberfläche (Graphen und HOPG) adsorbierten funktionalisierte Dyade an einer Fest-Flüssig Grenzfläche. Diese Dyade besteht im Wesentlichen aus einem Zink-Tetraphenylporphyrin (ZnTPP) und mit diesem über einem flexiblen Arm verbundenen Spiropyranderivat. Letztere ändert seine Konformation durch die Einstrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge, womit sich das Dipolmoment stark ändert. Es zeigte sich, dass das Schaltverhalten auf einen Graphen mit dem Schaltverhalten einer Dyade in Lösung vergleichbar ist. Dieses lässt den Schluss zu, dass das Schalteigenschaften einer einzelnen Dyade auf das adsorbierte Kollektiv übertragen werden kann, da es keine signifikanten beeinflussenden Wechselwirkungen durch die leitende Oberfläche und der benachbarten Dyaden auswirkte. / The first of this two-part work deals with the STM investigation of an interface in the surrounding natural atmosphere, which is formed by the adsorption of the conductive graphene onto the mica surface. In this interface, water molecules may intercalate by the surrounding humidity. By varying the relative humidity, the interface is rewetted, respectively, dewetted and it manifests itself in a star shape growing fractals, where the height of graphene is decreased by approximately the diameter of one water molecule. The STM investigation - which is primarily sensitive to the density of states of graphene - shows that additional significant changes in the height of graphene are formed within the fractal, unlike in the SFM investigations. This suggests that there is a water layer by which the density of graphene is differently affected by domains with significant distinguishable polarisation alignments. However, this is equivalent to the assumption that there are two or more water layers exist within the interface. The second part of this work deals with the STM investigation of a functionalized surface characterised by a functionalized dyad adsorbed onto a conductive surface (graphene and HOPG) at a solid-liquid interface. This dyad essentially comprises a zinc-tetraphenylporphyrin (ZnTPP) and is connected with a spiropyran derivative via a flexible linker. This changes its conformation through irradiation with light with a suitable wavelength, by which the dipole moment is also strongly changed. It was found that the switching behaviour of a graphene-based conductive surface is comparable with the switching behaviour of a dyad, which itself can move freely in solution. This leads to the conclusion that the switching properties of a single dyad can be transmitted to its collective because it affected no significant influence interactions by the conductive surface and the adjacent dyads.

Novel diorganoantimony(III) fluorides containing ligands with pendant arms, R2SbF (5), (R)PhSbF (6) [R = 2-(2′,6′-iPr2C6H3N[double bond, length as m-dash]CH)C6H4], R′′2SbF (7) and (R′′)PhSbF (8) [R′′ = 2-(Me2NCH2)C6H4], were prepared via the ionic derivatives [R2Sb]+[PF6]− (1), [(R)PhSb]+[PF6]− (2), [R′′2Sb]+[SbF6]− (4) and [(R′′)PhSb]+[SbF6]− (obtained in situ) by treatment with [Bu4N]F·3H2O. The ionic species used as starting materials as well as [R′2Sb]+[PF6]− (3) [R′ = 2-(2′,4′,6′-Me3C6H2N[double bond, length as m-dash]CH)C6H4] were obtained from the corresponding bromides or chlorides and Tl[PF6] or Ag[SbF6]. The compounds were investigated by multinuclear NMR spectroscopy in solution, MS and IR spectroscopy in the solid state. The molecular structures of the ionic species 1·2CH2Cl2 and 3·2CHCl3 as well as of the fluorides 5–8 were determined by single-crystal X-ray diffraction. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Eine Methode zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung (engl. time-dependent Schrödinger equation, TDSE) wurde entwickelt, welche das Verhalten der Elektronenbewegung in Molekülen beschreibt, die ultrakurzen, intensiven Laserpulsen ausgesetzt werden. Die zeitabhängigen elektronischen Wellenfunktionen werden durch eine Superposition von feldfreien Eigenzuständen beschrieben, welche auf zwei Weisen berechnet werden. Im ersten Ansatz , welcher auf Zweielektronen-Systeme wie H$_2$ anwendbar ist, werden die voll korrelierten feldfreien Eigenzustände in voller Dimensionalität in einem Konfigurations-Wechselwirkungs Verfahren (engl. configuration interaction, CI) bestimmt, wobei die Einelektron-Basisfunktionen mit B-Splines beschrieben werden. Im zweiten Verfahren, welches sogar auf größere Moleküle anwendbar ist, werden die feldfreien Eigenzustände in der Näherung eines aktiven Elektrons (engl. single active electron, SAE) mit Verwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestimmt. Im Allgemeinen kann die Methode zum Auffinden der zeitabhängigen Lösung in zwei Schritte, dem Auffinden der feldfreien Eigenzustände und einer Zeitpropagation in Abhängigkeit der Laserpuls-Parameter, unterteilt werden. Die Gültigkeit der SAE Näherung ist überprüft und die Ergebnisse für grund und erste angeregte zustand der Wasserstoff-Molekül werden vorgestellt. Die Ergebnisse für einige größere Moleküle innerhalb der SAE Angleichung werden ebenfalls gezeigt. / A method for solving the time-dependent Schrödinger equation (TDSE) describing the electronic motion of the molecules exposed to very short intense laser pulses has been developed. The time-dependent electronic wavefunction is expanded in terms of a superposition of field-free eigenstates. The field-free eigenstates are calculated in two ways. In the first approach, which is applicable to two electron systems like hydrogen molecule, fully correlated field-free eigenstates are obtained in complete dimensionality using configuration-interaction calculation where the one-electron basis functions are built from B-splines. In the second approach, which is even applicable to larger molecules, the field-free eigenstates are calculated within the single-active-electron (SAE) approximation using density functional theory. In general, the method can be divided into two parts, in the first part the field-free eigenstates are calculated and then in the second part a time propagation for the laser pulse parameters is performed. Using these methods the validity of SAE approximation is tested and the results for the ground and first excited state of hydrogen molecule are presented. The results for some larger molecules within the SAE approximation are also shown.

Ein neuer numerischer ab initio Ansatz wurde entwickelt und zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für zweiatomig Moleküle mit zwei Elektronen (z.B. molekularer Wasserstoff), welche einem intensiven kurzen Laserpuls ausgesetzt sind, angewandt. Die Methode basiert auf der Näherung fester Kernabstände und der nicht-relativistischen Dipolnäherung und beabsichtigt die genaue Beschreibung der beiden korrelierten Elektronen in voller Dimensionalität. Die Methode ist anwendbar für eine große Bandbreite von Laserpulsparamtern und ist in der Lage, Einfachionisationsprozesse sowohl mit wenigen als auch mit vielen Photonen zu beschreiben, sogar im nicht-störungstheoretischen Bereich. Ein entscheidender Vorteil der Methode ist ihre Fähigkeit, die Reaktion von Molekülen mit beliebiger Orientierung der molekularen Achse im Bezug auf das linear polarisierte Laserfeld in starken Feldern zu beschreiben. Dementsprechend berichtet diese Arbeit von der ersten erfolgreichen orientierungsabhängigen Analyse der Multiphotonenionisation von H2, welche mit Hilfe einer numerischen Behandlung in voller Dimensionalität durchgeführt wurde. Neben der Erforschung des Bereichs weniger Photonen wurde eine ausführliche numerische Untersuchung der Ionisation durch ultrakurze frequenzverdoppelte Titan:Saphir-Laserpulse (400 nm) präsentiert. Mit Hilfe einer Serie von Rechnungen für verschiedene Kernabstände wurden die totalen Ionisationsausbeuten für H2 und D2 in ihren Vibrationsgrundzuständen sowohl für parallele als auch für senkrechte Ausrichtung erhalten. Eine weitere Serie von Rechnungen für 800nm Laserpulse wurde benutzt, um ein weitverbreitetes einfaches Interferenzmodel zu falsifizieren. Neben der Diskussion der numerischen ab initio Methode werden in dieser Arbeit verschiedene Aspekte im Bezug auf die Anwendung der Starkfeldnäherung für die Erforschung der Reaktion eines atomaren oder molekularen Systems auf ein intensives Laserfeld betrachtet. / A novel ab initio numerical approach is developed and applied that solves the time-dependent Schrödinger equation describing two-electron diatomic molecules (e.g. molecular hydrogen) exposed to an intense ultrashort laser pulse. The method is based on the fixed-nuclei and the non-relativistic dipole approximations and aims to accurately describe both correlated electrons in full dimensionality. The method is applicable for a wide range of the laser pulse parameters and is able to describe both few-photon and many-photon single ionization processes, also in a non-perturbative regime. A key advantage of the method is its ability to treat the strong-field response of the molecules with arbitrary orientation of the molecular axis with respect to the linear-polarized laser field. Thus, this work reports on the first successful orientation-dependent analysis of the multiphoton ionization of H2 performed by means of a full-dimensional numerical treatment. Besides the investigation of few-photon regime, an extensive numerical study of the ionization by ultrashort frequency-doubled Ti:sapphire laser pulses (400 nm) is presented. Performing a series of calculations for different internuclear separations, the total ionization yields of H2 and D2 in their ground vibrational states are obtained for both parallel and perpendicular orientations. A series of calculations for 800nm laser pulses are used to test a popular simple interference model. Besides the discussion of the ab initio numerical method, this work considers different aspects related to the application of the strong-field approximation (SFA) for investigation of a strong-field response of an atomic and molecular system. Thus, a deep analysis of the gauge problem of SFA is performed and the quasistatic limit of the velocity-gauge SFA ionization rates is derived. The applications of the length gauge SFA are examined and a recently proposed generalized Keldysh theory is criticized.

As an inspiration from nature, polymeric vesicles can be formed from amphiphilic block-copolymers. These vesicles are called polymersomes and have applications in drug delivery and as nanoreactors. Within this thesis, photo cross-linked and pH sensitive polymersomes were synthesized, characterized and applied on cells as well as bionanoreactors. The stability due to the crosslinking yielded polymersomes which show a distinct and reproducible swelling upon repeated pH changes. If the non cross-linked vesicles were exposed to a plasma-cleaned surface, they formed a tethered singly and multiple bilayers. Upon studying these membranes, they turned out to harden upon crosslinking and showed a completely non-fluid behaviour. Additionaly, the polymersome-cell interactions were studied and yielded a high influence of the crosslinking conditions on cellular toxicity. If crosslinked for a long time in a phosphate-free enviroment, the polymersomes proved to be least toxic. Finally, an enzyme was incorporated into the polymersomes to create bionanoreactors. Due to the pH sensitivity and swelling, the vesicles created yielded a pH controlled nanoreactor with enzymatic activity and a swollen, e.g. acidic, state only.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

In der vorliegenden Arbeit werden elementare, plasma-relevante Ion-Molekül-Reaktionen in der Gasphase mit einer Guided Ion Beam (GIB)-Apparatur untersucht. Es werden Geschwindigkeitsverteilungen und absolute integrale Reaktionsquerschnitte für die Produkte der Reaktionen 40Ar+/36Ar+ + 40Ar und N2+ + CH4/CD4 für Stoßenergien zwischen 0.1 und 3.5 eV angegeben. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Dynamik der reaktiven Stöße zu. Bei dem resonanten, symmetrischen Ladungstransferprozeß können 40Ar+-Primär- und Produkt-Ionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Flugzeit getrennt nachgewiesen werden. Bei der quasi-resonanten, nicht-symmetrischen Reaktion wird ein isotopenselektierter 36Ar+-Ionenstrahl verwendet, um den Nachweis von 40Ar+-Produkten nicht zu beeinträchtigen. Die Geschwindigkeitsverteilungen dieser Produkte zeigen einen zusätzlichen Anteil von Ionen, die im Schwerpunktsystem vorwärts gestreut werden. Alle Ausgangskanäle der Reaktion N2+ + CX4 (X = H, D) wurden experimentell nachgewiesen. Aus den gemessenen integralen Querschnitten ergibt sich CX3+ als das häufigste Produkt mit einem Anteil von über 85%. Protonierte Produkte werden gegenüber deuterierten bevorzugt. Geschwindigkeitsverteilungen zeigen, daß die Produkte sowohl aus dem Zerfall eines langlebigen Zwischenkomplexes als auch durch einen direkten Prozeß gebildet werden. Oberhalb einer Stoßenergie von 0.5 eV überwiegt der direkte Prozeß. Es wird kein Unterschied im Reaktionsmechanismus von protonierten und deuterierten Produkten gleicher Art festgestellt.