Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die photophysikalische Untersuchung von drei unterschiedlichen Photosensibilisator-Transportsystemen hinsichtlich ihrer Eignung für die photodynamische Therapie. In Fulleren-Pyropheophorbid-a-Konjugaten (P6, FHP6, FP6) finden nach Lichtabsorption effiziente Energietransferprozesse sowie exzitonische Wechselwirkungen unter den Pyropheophorbid a Chromophoren statt. Exzitonische Interaktionen limitieren das Potential der Komplexe zytotoxischen Singulett-Sauerstoff unter Lichtanregung zu generieren. Im Molekül FP6 wurde zusätzlich ein Elektrontransfer vom Pyropheophorbide a zum Fulleren beobachtet. FP6 ist daher für die photodynamische Therapie ungeeignet, kann aber aufgefaßt werden, als die Kombination eines Lichtsammelkomplex mit ladungsseparierendem Zentrum. Weiterhin wurde die Eignung von wasserlöslichen Zinkprotoporphyrin (ZnPP) Polymerkonjugaten als neuartige Photosensibilisatoren für die photodynamische Therapie von soliden Tumoren untersucht. Pegyliertes ZnPP (PEG-ZnPP) bildet mizellare Aggregate in Lösung, wobei die hydrophoben ZnPP Kopfgruppen starke exzitonische Wechselwirkungen unter Lichtanregung eingehen. Dies führt zu einer Unterdrückung der Generierung von Singulett-Sauerstoff in wässriger Lösung. Für ein Styren-Maleinsäure Copolymer, welches ZnPP nicht-kovalent inkorporiert (SMA-ZnPP), wurde ähnliche Resultate gefunden. In-vitro Experimente zeigten, dass die Mizelle nach Aufnahme in die Tumorzellen ihre Integrität verliert und ZnPP monomer freigesetzt wird. Unter Beleuchtung generiert SMA-ZnPP eine hohe Phototoxizität. Polymere Träger-Photosensibilisator Systeme erlauben die Entwicklung effizienter photodynamische Therapien unter der Voraussetzung, das die intramolekularen Transferprozesse unter den Chromophoren gezielt manipuliert werden durch das Trägersystem und somit vorteilhaft genutzt werden können. / The main objective of the thesis is the photophysical investigation of three different photosensitizer-carrier systems concerning the applicability of these macromolecules for photodynamic therapy. For hexapyropheophorbide a-fullerene [C60] molecular systems (P6, FHP6, FP6) it was found that after light absorption the pyropheophorbide a chromophores in all three compounds undergo very efficient energy transfer as well as partly excitonic interactions. The last process limits the potential of the compounds to generate cyctotoxic singlet oxygen under illumination. In the molecule FP6 a fast photoinduced electron transfer process from pyropheophorbide a to the fullerene moiety has been observed additionally. FP6 is inapplicable for PDT but this molecule can be considered as a combination of a light-harvesting system consisting of several separate pyropheophorbide a molecules and a charge-separating center. Furthermore the photosensitizing capabilities of water-soluble polymer conjugates of zinc protoporphyrin (ZnPP) as novel compounds for photodynamic therapy against solid tumors have been investigated. Pegylated ZnPP (PEG-ZnPP) forms micellar aggregates in solution whereas the hydrophobic ZnPP headgroups undergo strong excitonic interactions under illumination. This leads to suppression of singlet oxygen generation in aqueous solution. For a styrene-maleic acid copolymer incorporating ZnPP in a non-covalent fashion (SMA-ZnPP) similar results have been obtained. In-vitro experiments showed that the polymeric micelle is liberated after tumor cell uptake and ZnPP is released in monomeric form. Under illumination SMA-ZnPP generates strong phototoxicity. Polymer carrier-photosensitizer complexes will allow the development of more efficient PDT treatments under the precondition that the intramolecular transfer processes among photosensitizing molecules are selectively manipulated through the carrier system and therefore beneficially utilized.

Ultraschnelle Energietransferprozesse zwischen den Anregungszuständen organischer Pigmentmoleküle in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen gehören zu den schnellsten bisher untersuchten biologischen Ereignissen. Diese Vorgänge wurden insbesondere auch für den Haupt-Antennenkomplex der höheren Pflanzen (LHCII) beobachtet, der mehr als die Hälfte des pflanzlichen Chlorophylls (Chl) bindet (5 Chl b und 7 Chl a pro Monomer). Offenbar ist dieser Pigment-Protein-Komplex entscheidend für Regulationsmechanismen verantwortlich, die eine schnelle Adaptation des Photosyntheseapparats an wechselnde Licht- bedingungen ermöglichen. Die Struktur von LHCII ist mit einer Auflösung von 3.4 Å bekannt und erlaubt (im Prinzip) die Berechnung des Anregungsenergietransfers auf Basis eines Förster-Mechanismus. In diesem Zusammenhang gibt es jedoch noch zahlreiche ungeklärte Fragen, die vor allem die Orientierung der Pigmente zueinander sowie deren mögliche starke (exzitonische) Wechselwirkung betreffen. Allerdings sind konventionelle spektroskopische Methoden nicht geeignet, diese Merkmale ausreichend aufzuklären. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit untersucht, inwieweit neuere laserspektroskopische Methoden wie die nichtlineare Polarisationsspektroskopie in der Frequenzdomäne (NLPF) zur Ermittlung unbekannter Parameter beitragen können. Anfänglich ergaben sich besonders Fragen der Anwendbarkeit der NLPF auf solche hoch- komplexen Untersuchungsobjekte sowie der Signifikanz eventuell erzielbarer Ergebnisse. Aufbauend auf einer parallel verfaßten Dissertation zu theoretischen Aspekten der NLPF- Methode [1] wurde daher ein vereinfachtes System modelliert, das die Heterogenität der individuellen Chl(e) im LHCII widerspiegelt. Die gewonnenen Resultate ließen vermuten, daß die reine Simulation von NLPF-Spektren nicht ausreicht, um eindeutige Aussagen über die Molekülparameter zu gewinnen. Um den benötigten zusätzlichen Erkenntnisgewinn zu erreichen, wurden daher Paralleluntersuchungen mit anderen laserspektroskopischen Methoden (nichtlineare Absorption mit fs-Pulsen, intensitätsabhängige NLPF, Einzelmolekülspektroskopie, Tieftemperatur-NLPF) sowie mit in vitro rekonstituierten Protein-Mutanten durchgeführt. Als Ergebnis konnte die Subbstruktur der Qy- Absorptionsbande der ersten angeregten Zustände der Chl(e) für LHCII ausreichend beschrieben werden. Darüber hinaus ergaben sich Aussagen zu exzitonischen Wechselwirkungen zwischen bestimmten Chl(en), die unter anderem Einfluß auf das Energie- transferverhalten haben. Diese zusätzlichen Untersuchungen erlaubten letztendlich eine Modellierung der bei Raum- temperatur an LHCII gemessenen NLPF-Spektren. Neben dem dabei implizit gewonnenen Verständnis der nichtlinearen optischen Eigenschaften im Bereich der Qy-Absorption ließen sich so Aussagen über bestimmte Modellparameter, besonders über die Orientierung von Übergangsdipolmomenten, ableiten. Abschließend wurde die Auswirkung der Erkenntnisse auf das Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen für intra- und inter-komplexen Energietransfer erläutert. / Ultra-fast excitation energy transfer (EET) between excited states of organic pigment molecules in photosynthetic antenna complexes belongs to the fastest observed biological processes. Such EET phenomena has been studied to a large extent for the main light- harvesting complex of the higher plants (LHCII), which appears to play an exceptional role for the regulatory function (i.e. light adaptation) of the plant photosynthetic apparatus. The structure of this pigment-protein complex harboring more than 50 % of the total chlorophyll (Chl) content is known with 3.4 Å resolution and reveals the binding sites of 5 Chl b and 7 Chl a per monomeric unit. Based on this structure analysis, EET calculations are (in principle) available on the molecular level under the assumption of Förster-type transfer. However, several molecular features like mutual pigment orientations and electronic interactions between their transition dipoles are still rather uncertain. Since conventional spectroscopic techniques can hardly reveal the corresponding parameters, this work was aimed at the evaluation of newly introduced laser spectroscopic techniques with respect to these questions. In the beginning, suitability and significance of the method when applied to highly complicated structures like pigment-protein complexes were studied by modeling heterogeneous, LHCII-like absorption systems in NLPF experiments. Based on recent improvements in the NLPF theory by a parallel theoretical investigation [1], these simulations clarified the sensitivity of the NLPF method on numerous physical parameters. As a major consequence, unambiguous evaluations of NLPF measurements appear to require substantial additional information about the investigated system. Accordingly, several supplementary methods like nonlinear absorption (using fs-pulses), intensity-dependent NLPF, single- molecule spectroscopy, and NLPF at low temperatures were employed. These investigations revealed unique information about excitonic interaction between certain Chl(s), including implications for the overall EET scheme. The sub-structure model for the Qy-absorption region of LHCII was further essentially improved by the analysis of reconstituted proteins with selectively modified Chl binding residues in the amino-acid sequence. The sum of all complementary investigations allowed finally the evaluation of room temperature NLPF measurements of trimeric LHCII. Due to the unique selectivity of the spectra to individual transition-dipole directions, several orientation parameters have been obtained. Under this point of view, the NLPF method has indeed revealed a high potential as compared to conventional techniques like circular dichroism spectroscopy. Moreover, the understanding of nonlinear phenomena in the Qy-absorption region of LHCII as a consequence of molecular interaction provides further knowledge for the application of other nonlinear optical experiments. Concluding, implications of the obtained results for the structure-function relationship of intra- and inter-complex EET were elucidated.

Phthalocyanine (Pc) sind aufgrund ihrer einfachen Herstellung, bekannten Eigenschaften und großen chemischen Stabilität viel versprechende organische Substanzen für verschiedene Anwendungen in der Wissenschaft und Industrie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektronischen Eigenschaften von annellierten dinuklearen (ZnPc-ZnPc, H2Pc-H2Pc) und trinuklearen Pc im Vergleich zu mononuklearen Pc (H2Pc, ZnPc) und einfach kovalent über eine Ethandiol-Brücke verknüpfte dimere Pc (DH2, DZn) untersucht. Die stationären Absorptions- und Fluoreszenzspektren von DZn sind vergleichbar mit denen eines unsymmetrisch substituierten mononuklearen ZnPc. Die elektronischen Eigenschaften von DH2 sind von drei verschiedenen Phänomenen beeinflusst: Aggregation, exzitonische Wechselwirkung und der Existenz unterschiedlicher NH-Tautomere. Die große bathochrome Verschiebung der Q-Bande von annellierten dinuklearen und trinuklearen Pc im Vergleich zu den mononuklearen Analogon zeigt die Expansion des pi-Elektronensystems in solchen annellierten Systemen. Zeitabhängige Dichtefunktionalrechnungen (TD-DFT) ergaben für das dinukleare H2Pc-H2Pc erstmals drei verschiedene NH-Tautomere mit unterschiedlichen Molekülorbitalen und Absorptionsspektren. Ein Vergleich der berechneten Resultate mit den experimentellen Ergebnissen aus stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie ermöglichte erstmals die Bestimmung der elektronischen Parameter der einzelnen NH-Tautomere des annellierten dinuklearen H2Pc-H2Pc in Lösung. In Übereinstimmung mit den TD-DFT-Rechnungen wurde nur eine mögliche Spezies für das dinukleare ZnPc-ZnPc im Experiment gefunden. Erste spektroskopische Untersuchungen an den neuen trinuklearen annellierten Pc ergaben einen Hinweis darauf, dass die NH-Tautomerie einen großen Einfluss auf deren elektronischen Eigenschaften selbst bei Raumtemperatur hat. / Phthalocyanines (Pcs) are auspicious molecules for a broad variety of scientific and industrial applications, because of their simple production, well-defined properties and high chemical stability. The photophysical properties of annulated dinuclear (ZnPc-ZnPc, H2Pc-H2Pc) and trinuclear Pcs in comparison to mononuclear Pcs (H2Pc, ZnPc) and dimeric Pcs, covalently linked by an ethandiol-bond (DH2 and DZn), were investigated in this study. Absorption and fluorescence spectra of dimeric DZn resemble those of an asymmetric substituted mononuclear ZnPc. The photophysical properties of DH2 are influenced by three different phenomena, namely aggregation, excitonic interaction and the existence of different NH-tautomers. Strong bathochromic Q-band-shifts of annulated dinuclear and trinuclear Pcs in comparison to the mononuclear analogues show expansion of the pi-electron system in such annulated molecules. For the first time, the existence of three NH-tautomers with different molecular orbitals and absorption spectra were shown by time-dependent density functional theory (TD-DFT) calculations of dinuclear H2Pc-H2Pc. Theoretical calculations and experimental data obtained by steady state and time resolved spectroscopy were matched. This approach enabled the determination of photophysical properties of individual NH-tautomers of dinuclear H2Pc-H2Pc in solution. In accordance to the TD-DFT calculations only one dinuclear ZnPc-ZnPc species was experimentally established. First spectroscopic investigations of novel trinuclear Pc gave an evidence that NH-tautomerism might have a strong influence on their photophysical properties, even at room temperature.