Schwingungsspektroskopie ist eine vielseitige spektroskopische Methode, mit der Molekülstrukturen und inter-/intramolekulare Wechselwirkungen untersucht werden können. Sie ist deshalb ein hervorragendes Mittel für die Identifikation von Molekülen. Die vorliegende Arbeit umfasst drei Projekte, in denen Schwingungsspektroskopie angewandt wurde, um reaktive Moleküle und ihre Hochtemperatur-Reaktionsprodukte zu untersuchen: 1. Die Aufklärung der Entstehungsmechanismen von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) in Verbrennungsprozessen ist eines der Hauptanliegen der Verbrennungschemie. In der vorliegenden Arbeit wurde IR/UV-Ion-Dip-Spektroskopie in Verbindung mit DFT-Frequenzrechnungen und FTIR-Messungen angewandt, um Produkte von Radikal-Radikal-Reaktionen in einem Mikroreaktor bei hohen Temperaturen zu identifizieren. Als IR-Laserquelle für die IR/UV-Ion-Dip-Experimente diente der Freie-Elektronen-Laser FELIX (Free-Electron Laser for Infrared eXperiments) in Nijmegen (Niederlande). In einem Teilprojekt wurde der A 1A´ (S1) <- X 1A´ (S0) Übergang in 1-(Phenylethinyl)naphthalin (1-PEN), einem mutmaßlich verbrennungsrelevanten Molekül, mit [1+1]-REMPI-Spektroskopie untersucht. 2. Die Identifikation von gasförmigen Reaktionsprodukten bei der thermischen Analyse (EGA: Emissionsgasanalyse) kann als komplementäre Methode zur DTA/TG zusätzliche Informationen für die Aufklärung von Reaktionsmechanismen liefern. Der Aufbau eines elementaren EGA/FTIR-Experiments, basierend auf einer heizbaren IR-Gaszelle, ermöglichte in der vorliegenden Arbeit die Durchführung dynamischer IR-Messungen, mit denen thermische Umsetzungen von Übergangsmetall-Precursorkomplexen zu Koordinationspolymeren untersucht wurden. 3. Die Synthese des ersten bei Raumtemperatur stabilen Diborins, einer Verbindung mit einer Bor-Bor-Dreifachbindung, stellte einen Meilenstein in der elementorganischen Chemie dar. Dies implizierte eine umfassende Untersuchung der Eigenschaften der BB-Bindung und hatte die Synthese einer Reihe ähnlicher Bor-Bor-Mehrfachbindungssysteme mit variierenden Bindungseigenschaften zur Folge. In der vorliegenden Arbeit wurde Raman-Spektroskopie in Verbindung mit DFT-Frequenzrechnungen angewandt, um für diese Bor-Bor-Systeme die strukturellen/elektronischen Eigenschaften der zentralen CBBC-Einheit zu untersuchen. / Vibrational spectroscopy is a versatile spectroscopic technique for the investigation of the molecular structure and inter-/intramolecular interactions. Therefore it is an excellent means for their identification. The present work comprises three projects, in which vibrational spectroscopy was applied to study reactive molecules and their high-temperature reaction products: 1. The elucidation of the mechanisms of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) formation in combustion processes is one of the main topics of combustion chemistry. In the present work IR/UV ion dip spectroscopy in combination with DFT frequency computations and FTIR measurements was applied to identify the products of radical-radical reactions in a heated micro-reactor. The free-electron laser FELIX (Free-Electron Laser for Infrared eXperiments) in Nijmegen (the Netherlands) served as the IR laser source for the IR/UV ion dip experiments. As part of the project the A 1A´ (S1) <- X 1A´ (S0) transition in 1-(phenylethynyl)naphthalene (1-PEN), a presumably combustion relevant molecule, was investigated by [1+1]-REMPI spectroscopy. 2. As complementary method to DTA/TG the identification of gaseous reaction products in thermal analysis (EGA: evolved gas analysis) can provide auxiliary information for the elucidation of reaction mechanisms. The setup of a plain EGA/FTIR experiment based on a heatable IR gas cell in the present work allowed for the conduction of dynamic IR measurements. By this means thermal conversions of transition metal precursor complexes to coordination polymers were investigated. 3. The synthesis of the first ambient-temperature stable diboryne, a compound with a boron-boron triple bond, constituted a milestone in element organic chemistry. This implied a comprehensive investigation on the properties of the BB bond and was followed by the synthesis of a series of similar boron boron multiple bond systems with varying bond properties. In the present work Raman spectroscopy in combination with DFT frequency computations was conducted on these boron boron systems to investigate the structural/electronic properties of their central CBBC unit.

Chemisch dotiertes Polypyrrol gilt als Modellsubstanz für leitfähige Polymere mit nichtdegeneriertem Grundzustand. Das elektrische Transportverhalten in dotiertem Polypyrrol wird durch lokalisierte Ladungsträger, Bipolaronen und Polaronen, bestimmt. Es besteht dabei eine enge gegenseitige Wechselwirkung zwischen der Struktur der Polymerkette und den Eigenschaften der Ladungsträger. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von Hochdruckmethodik und optischer Spektroskopie vertieft das Verständnis der Beziehung zwischen der molekularen und supramolekularen Struktur und den elektronischen und optischen Eigenschaften.<br /> Durch spezifische Synthesemethoden lassen sich unterschiedliche Strukturen in der polymeren Probe induzieren, die sich durch den Anteil an hochgeordneten Polymerketten unterscheiden. Die gezielte Veränderung dieser Strukturen durch Druckexperimente ermöglicht das Studium des Einflusses der Synthesemethoden auf die Ladungsträgereigenschaften. Für diese Studien wurden herkömmlich synthetisierte Polypyrrol-Filme und Filme, die sich aus Polypyrrol-Nanoröhren zusammensetzen (Synthese in Kernspur-membranen, &quot;Template-Synthese&quot;) bei ansonsten gleichen Syntheseparametern untersucht. Raman- und Infrarotspektroskopie sowie UV-Vis-NIR-Absorptionsspektroskopie, die jeweils für die Hochdruckmethodik adaptiert wurden, dienten der Charakterisierung der Proben. Zusätzlich wurden temperatur- und druckabhängige Messungen des elektrischen Widerstands an den Template-Proben durchgeführt. Die Morphologie template-synthetisierter Polypyrrol-Nanoröhren und die filmbildenden Eigenschaften sowie der mögliche Aufbau von Schichtarchitekturen wurden mit transmissions- und rasterelektronenmikroskopischen Techniken untersucht. <br /> Die aus den Hochdruckexperimenten gewonnenen Daten werden in der Arbeit im Hinblick auf die Stabilität der Ladungsträger interpretiert. Im Ergebnis bewirkt die Druckerhöhung eine Dissoziation der Bipolaronen in den untersuchten Proben. Das Ladungsträger-gleichgewicht verschiebt sich dadurch mit steigendem Druck zu Zuständen mit höherem Anteil an polaronischen Ladungsträgern. Die Template-Synthese bewirkt gegenüber herkömmlich synthetisierten Proben einen höheren Anteil an Polaronen bereits bei Normaldruck, und eine Lage des Systems näher bei einem Isolator-Metall-Übergang. Die Dissoziationsrate der Bipolaronen ist für Template- und herkömmlich synthetisierte Proben vergleichbar groß und unabhängig vom Initialzustand nach der Synthese. <br /> <br /> Dieses Verhalten der Ladungsträger wird weitergehend im Rahmen eines Modells untersucht, bei dem der Einfluß benachbarter Polymerketten und der Dotandionen berücksichtigt wird. Dementsprechend können sich die Wellenfunktionen der Ladungsträger unter bestimmten Bedingungen auch auf benachbarte Ketten erstrecken (transversale Polaronen bzw. Bipolaronen). Eine solche Ausdehnung der Wellenfunktionen unter Mitwirkung der Dotandionen wurde in den untersuchten Proben nicht festgestellt. Die Wellenfunktionen der Ladungsträger besitzen demnach hauptsächlich Komponenten entlang der Polymerkette (longitudinale Polaronen bzw. Bipolaronen). Aus der Änderungsrate druckabhängiger spektraler Charakteristiken lassen sich Aussagen über den Ordnungszustand der Probe ableiten.<br /> <br /> Diese auf experimentellem Wege gefundenen Ergebnisse liefern somit Hinweise für die bisher kontrovers diskutierte Koexistenz der beiden Ladungsträgerarten Polaronen und Bipolaronen und die Größe ihrer jeweiligen Bindungsenergien. Druckerhöhung und Template-Synthese bewirken analoge Änderungen der Polymerstruktur. Sowohl höherer Druck wie auch die Template-Synthese lassen sich mit einem höheren Ordnungsgrad in den Template-Proben korrelieren.<br /> <br /> Der Ladungstransport in den Proben kann durch ein Mott Variable Range Hopping-Modell mit druckabhängiger charakteristischer Dimension beschrieben werden. Die Erhöhung des Drucks bewirkt einen Anstieg der Dimension, eine bessere Überlappung der Wellenfunktionen der Ladungsträger und eine Vergrößerung der Lokalisierungslänge der Ladungsträger. Die druckinduzierte Dissoziation der Bipolaronen beeinflußt den Ladungstransport zusätzlich durch Erhöhung der Anzahl unabhängiger Ladungsträger und verbessert diesen aufgrund stärkerer Überlappung der Wellenfunktionen. Template-Proben niedriger Synthesetemperatur zeigen bei Normaldruck eine höhere Dimension des Mott Variable Range Hoppings und eine größere Lokalisierungslänge gegenüber bei Raumtemperatur synthetisierten Proben. Kürzere Synthesezeiten bewirken einen Anstieg der Dimension bei Normaldruck und eine Verschiebung des Dimensionscrossovers zu niedrigeren Temperaturen. Template-Proben kurzer Synthesezeit zeigen geringere druckinduzierte Änderungen als solche mit langer Synthesezeit. Es wurde ein kontinuierliches Ordnungsmodell der Polypyrrol-Nanoröhren entwickelt, das dieses Verhalten beschreibt.<br /> <br /> Die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren werden durch spezifische Syntheseparameter, wie Temperatur und Dauer, beeinflußt und können mit Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie beobachtet werden. Die filmbildenden Eigenschaften der Röhren hängen stark von diesen mechanischen Eigenschaften ab. Die Struktur der Filme kann dabei von einer unregelmäßigen Anordnung der Röhren bis zu nahezu parallel ausgerichteten Röhren variieren. Es wurden Möglichkeiten untersucht, die Röhren in den Filmen zu orientieren und aus diesen Filmen durch Schichtung makroskopische Architekturen mit einem hohen Grad an orientierten Röhren aufzubauen. Solche Architekturen können für verschiedene Anwendungen, z.B. in elektronischen Bauteilen oder mikroskopischen Bioreaktoren, von Interesse sein. / Chemically doped polypyrrole is a model substance for conducting polymers with non-degenerate ground state. The electrical transport behaviour in doped polypyrrole is determined by localised charge carriers, polarons and bipolarons, respectively. A strong interaction between the structure of the polymer chain and the properties of the carriers exists. In this work the applicability of the combination of high pressure techniques with spectroscopy in the visible spectral range is demonstrated to improve the understanding of the relationship between the molecular and supramolecular structure and the electronic and optical properties.<br /> <br /> The use of specific synthesis methods allows the induction of different structures in the polymeric sample. These structures possess different amounts of highly ordered polymer chains. High pressure experiments are a suitable method to influence the structures in a controlled manner. In this way the effect of the different synthesis methods on the charge carrier properties can be studied. For these investigations polypyrrole films synthesised by ordinary chemical synthesis and films build up of template synthesised polypyrrole nanotubules, respectively, were fabricated under the same chemical synthesis conditions. The characterisation of the samples was carried out by Raman and infrared spectroscopy as well as optical absorption spectroscopy. All spectroscopic methods were adapted for high pressure techniques. Additionally, temperature and pressure dependent measurements of the electrical resistance were performed on the template synthesised samples. The morphology of polypyrrole nanotubules and films consisting of nanotubules as well as architectures built up from these films were examined by transmission and scanning electron microscopy.<br /> <br /> The data obtained from the high pressure experiments are interpreted in view of the stability of the charge carriers. One result is the dissoziation of bipolarons upon pressure increase in the samples under investigation with increasing pressure. The charge carrier equilibrium is shifted to states with larger amount of polarons. Template synthesis, compared with ordinarily synthesised samples, results in a larger amount of polarons at ambient pressure and a position of the samples closer to an insulator-metal transition. The dissoziation rate of bipolarons in template and ordinary synthesised samples is comparable and independent of the initial state after completed synthesis procedure.<br /> <br /> This behaviour of the charge carriers is further investigated in the frame of a model which takes the influence of neighbouring polymer chains and of dopant ions into considerations. According to this model, the wave functions of the charge carriers are also allowed to extend on neighboured chains under certain conditions (transverse polarons or bipolarons, respectively). Such an expansion of the wave functions where dopant ions act as mediating bridges of lower potential cannot be observed in the samples under investigation. Hence, the wave functions of the charge carriers contain mainly components along the polymer chain (longitudinal polarons or bipolarons, respectively). From the alteration rate of pressure dependent spectral characteristics information can be gained on the state of order in the samples.<br /> <br /> These experimental results deliver hints for the up to now controversial discussion on the coexistence of the charge carrier species polarons and bipolarons and the magnitude of their binding energies. Pressure increase and template synthesis yield analogous changes of the polymer structure. High pressure as well as template synthesis can be correlated with a higher degree of order in the samples. <br /> <br /> The charge carrier transport in the samples can be described by a Mott Variable Range Hopping model with a pressure dependent characteristic dimension. The increase of pressure results in an increasing dimension, a larger overlap of the wave function of the charge carriers and an increase of their localisation length. Additionally, pressure induced dissoziation of bipolarons improves the charge carrier transport by increasing the amount of independent charge carriers and larger overlap of the wave functions. Template synthesised samples prepared at lower synthesis temperature show a higher dimension of the Mott Variable Range Hopping and a larger localisation length than samples synthesised at room temperature. Shorter synthesis time results in an increase of the characteristic dimension at ambient pressure and a shift of the dimensional crossover to lower temperatures. Also, these samples show smaller pressure induced changes compared to samples with longer synthesis time. A model is developed describing this behaviour in the frame of a continuous order change in polypyrrole nanotubules.<br /> <br /> The morphology and the mechanical properties of the template synthesised nanotubules are influenced by specific synthesis parameters, e.g. temperature and duration, as can be observed by transmission and scanning electron microscopy. The resulting films formed by the tubules strongly depend on these mechanical properties. The structure of the films can vary between disordered arrangement and almost parallel orientation of the tubules. The possibilities for orienting of the individual tubules in films and for building macroscopic architectures by subsequent stacking of those films were investigated. Such architectures are interesting from an application point of view e.g. in electronic devices and microscopic bioreactors.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Die Struktur und Dynamik von Biomolekülen wird durch ein komplexes Wechselspiel mit Ionen und Wassermolekülen der Hydratationshülle beeinflusst. Die Wechselwirkungen sind kaum verstanden, zum Teil weil es an experimentellen molekularen Sonden mangelt. Lokale Schwingungen des RNA-Rückgrats bieten solch nicht-invasive Sonden, empfindlich gegenüber den ersten Schichten der RNA-Solvatationshülle. Die Empfindlichkeit rührt von elektrischen Feldern auf der biomolekularen Oberfläche. Diese Dissertation nutzt die Sensitivität aus, um mit Femtosekunden-2D-IR-Spektroskopie der asymmetrischen Phosphatstreckschwingung die Rolle positiv geladener Ionen, insbesondere Magnesium, Mg2+, zu untersuchen, die negativ geladene Phosphatgruppen des Rückgrats kompensieren. Erste Experimente an Dimethylphosphat, zusammen mit theoretischen Berechnungen, zeigen eine Blauverschiebung der Phosphatmode aufgrund der Bildung von Kontaktionenpaaren. Kurze Abstände zwischen Mg2+ und der Phosphatgruppe führen zu repulsiven Austauschwechselwirkungen, die die Potentialfläche der Schwingung stören. Bei Doppelstrang-RNA zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Phosphatschwingung von lokalen Wasserstrukturen. Frequenzverschiebungen durch den Starkeffekt führen zu drei Schwingungsbanden, die unterschiedliche lokale Geometrien widerspiegeln. Elektrische Felder von solvatisierenden Wassermolekülen beeinflussen dabei das Bindungspotential. Abschließend erlaubt es die Blauverschiebung der Phosphatmode, die Bildung von Mg2+/Phosphat Kontaktionenpaaren in Transfer-RNA quantitativ zu verfolgen. Es wird gezeigt, dass diese die Tertiärstruktur der tRNA stabilisieren, indem sie die Coulombabstoßung zwischen negativ geladenen Phosphatgruppen kompensieren, besonders in kompakten Regionen. Die Dissertation demonstriert das Potential zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie, kombiniert mit theoretischen Beschreibungen auf molekularer Ebene, um die komplexen Interaktionen biomolekularer Solvatationsumgebungen zu erforschen. / The structure and dynamics of biomolecules are influenced by a complex interplay with ions and water molecules in the local hydration shell. The underlying interactions are poorly understood, partly because of a lack of experimental probes that can access the molecular scale. Local vibrations of the RNA backbone provide non-invasive probes sensitive to the first hydration layers of the RNA solvation shell via the imposed electric field on the biomolecular surface. This thesis exploits this sensitivity in femtosecond 2D-IR spectroscopy experiments on the asymmetric phosphate stretch vibration to investigate the role of positively charged ions, particularly the magnesium cation Mg2+, in counteracting the negatively charged phosphate backbone. Initial experiments with the model system dimethyl phosphate in combination with theoretical calculations report a frequency blue-shift due to the formation of contact ion pairs. Short distances between Mg2+ and phosphate lead to exchange repulsion interactions that perturb the vibrational potential energy surface. In double helical RNA, a strong dependence of the phosphate mode on the local hydration structure of the phosphate group is found. Three distinct vibrational peaks reflect different hydration geometries as a result of vibrational Stark shifts. Responsible for the frequency shifts are electric fields from solvating water molecules. Ultimately, the blue-shift of the phosphate mode allows to quantitatively follow the formation of Mg2+-phosphate contact pairs in transfer RNA systems. It is shown that these configurations stabilize the tertiary structure of tRNA molecules by efficiently compensating the Coulomb repulsion from negatively charged phosphate groups, particularly in highly congested regions. The thesis demonstrates the potential of time-resolved vibrational spectroscopy combined with theoretical descriptions on the molecular level to probe the complex interactions of biomolecular solvation environments.

Das Überschussproton (H+) in wässriger Umgebung, schwer fassbar in seiner Struktur und seinem lokalen Umfeld, wurde seit mehr als zwei Jahrhunderten intensiv studiert und wird oft in Bezug auf zwei limitierende Strukturen diskutiert, dem Eigen-Kation (H9O4+) und dem Zundel-Kation (H5O2+). Die vorherrschende Hydratisierungsstruktur und der ultraschnelle fluktuierende Charakter des Überschussprotons in Lösung bei Raumtemperatur bleiben jedoch diskutiert. Die vorliegende Dissertation klärt eine dominante Hydratisierungsstruktur von Überschussprotonen in Lösung unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen auf. Zundel-Kationen, selektiv präpariert im Lösungsmittel Acetonitril, wurden mittels ultraschneller zweidimensionaler Infrarot (2D-IR) und Zweifarben-Anrege-Abtastspektroskopie untersucht. Intramolekulare Lebensdauern liegen im sub-100 fs Bereich, viel kürzer als in reinem flüssigen Wasser. Das ,,Zundel-Kontinuum" erklärt sich durch Lösungsmittel getriebene Feldfluktuationen, die das Doppelminimumpotential des Protons in H5O2+ auf der Femtosekundenzeitskala modulieren. Zusammen mit stochastische Besetzungen niederfrequenter Moden, führen beide Effekte zu einer starken Frequenzverschiebung der Fundamentalschwingung der Protonbewegung und ihrer Ober- und Kombinationstöne. Der einzigartige Schwingungscharakter der Protontransfermode wurde ausgenutzt, um zeitaufgelöste Daten von Zundel-Kationen in Acetonitril mit denen von Überschussprotonen in flüssigem Wasser zu vergleichen. Die nahezu identische Schwingungsantwort beider Proben in 2D-IR und Zweifarben-Anrege-Abtastexperimenten identifiziert die (H5O2+)-Gruppierung als eine vorherrschende Hydratisierungsstruktur für Protonen in Wasser. / The excess proton (H+) in aqueous environment, elusive in its structure and local surrounding, has been intensively studied for more than two centuries and is often discussed in terms of two limiting structures, the Eigen cation (H9O4+) and the Zundel cation (H5O2+). However, the prevailing solvation structure and ultrafast fluctuating character of the hydrated proton in solution at room temperature is debated. The present thesis elucidates a predominant solvation structure of excess protons in solution under thermal equilibrium conditions. Zundel cations selectively prepared in acetonitrile solution are investigated by ultrafast two-dimensional infrared (2D-IR) and two-color pump-probe spectroscopy. Intramolecular lifetimes are found in the sub-100 fs range, much shorter than for neat liquid water. The "Zundel continuum" is explained by solvent driven field fluctuations that modulate the double minimum proton potential in H5O2+ on the femtosecond time scale. Together with stochastic populations of low frequency modes, both effects lead to strong frequency excursions of the proton transfer fundamental and its overtone and combination tone transitions. Utilizing the distinct vibrational character of the proton transfer mode, time-resolved data of Zundel cations in acetonitrile are compared to those obtained for excess protons in bulk liquid water. The nearly identical vibrational response of both samples found in 2D-IR and two-color pump-probe experiments identifies the H5O2+ moiety as a predominant solvation structure of protons in water.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.

Diese Arbeit ermöglicht ein detailliertes Verständnis der Schwingungsdynamik und Kupplungen in einem Basenpaar-Modellsystem und in künstlichen DNA-Oligomeren bei verschiedenen Hydratationsgraden. Durch die Verwendung von nichtlinearer ultraschneller IR Pump-Probe Spektroskopie sind die Schwingungsbewegungen hydratisierter DNA und die schnellsten Veränderungen in den DNA-Wasser-Wechselwirkungen und Hydrationsgeometrien direkt zugänglich. 2-pyridone/2-hydroxypyridine ist ein Modellsystem für die gekoppelte intermolekularen Wasserstoffbrücken, deren Struktur der von DNA-Basenpaaren ähnelt. In Dichlormethan existiert das Molekül als ein zyklischer 2-Pyridon-Dimer, deren Vorkommern durch NMR-und 2D-FTIR Spektroskopie verifiziert wurde. Die beobachteten kohärente Oszillationen aufgrund niederfrequenter Wellenpaketbewegungen der Dimere können für die Dynamik und räumliche Geometrie der Basenpaare in den DNA-Molekül relevant sein. Transiente Schwingungsspektren eines poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] Film erlauben die Zuordnung von verschiedenen NH-Streckbanden zu einer bestimmten Schwingung der Nukleinbasen und ermöglichen deren Abgrenzung zu den Beiträgen von OH-Streckschwingungen des umgebenden Wassers. Bei einem niedrigen Hydratisierungsgrad verändern die restlichen, an die Phosphatgruppen gebundenen Wassermoleküle, ihre Ausrichtung auf ultraschnellen Zeitskalen nicht. Im Fall vollständig hydratisierter DNA ist die Dynamik der Wasserhülle dem Verhalten des reinen Wassers ähnlicher und man beobachtet spektrale Diffusion der OH-Streckschwingung im Subpikosekundenbereich sowie einen Zerfall der Schwingungsanisotropie durch Molekülrotation und/oder Energietransfer. Die Wassermoleküle der Phosphat-Hydratationshülle dienen als effiziente Wärmesenke für Überschussenergie aus der DNA, wobei die Energietransferzeiten im fs-bereich liegen. Im Gegensatz dazu erfolgt Energietransport innerhalb der DNA auf einer langsameren Zeitskala von 20 ps. / This thesis provides a detailed understanding of vibrational dynamics and couplings in a base pair model system and artificial DNA oligomers at different levels of hydration. By using nonlinear ultrafast infrared pump-probe spectroscopy, the basic vibrational motions of hydrated DNA and the fastest changes in the DNA–water interactions and hydration geometries are directly accessed. 2-pyridone/2-hydroxypyridine is used as a model molecule for coupled intermolecular hydrogen bonds with a structure resembling a DNA base pair. In dichloromethane the molecule predominantly exists as a cyclic 2-pyridone dimer as determined using a combined NMR and 2D FTIR approach. The observed coherent oscillations due to low-frequency hydrogen bond wavepacket motions of the dimers are expected to be relevant for the dynamics and spatial geometry of base pairs in DNA molecule. Transient vibrational spectra of a poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] film enabled the assignment of different NH stretching bands to particular nucleobase vibrations, also discerning them from the OH stretching contributions of the surrounding water. At a low hydration level, residual water molecules, bound to the phosphate groups, do not alter their orientation on ultrafast time scales. In the case of fully hydrated DNA, the dynamics of the water shell are closer to those of bulk liquid water with a sub-picosecond spectral diffusion and a loss of vibrational anisotropy as a result of molecular rotation and/or energy transfer. The water shell around the phosphates serves as a efficient heat sink accepting excess energy from DNA in a femtosecond time domain, whereas the energy transfer within DNA occurs on the time scale of 20 ps.

Expansionen komprimierter Fluide finden breite Anwendung und werden hier mit Hilfe der Schwingungsspektroskopie untersucht. Dabei ist der Aggregatzustand der bei der Zerstäubung entstehenden Partikel von besonderem Interesse. In Abhängigkeit von Stagnationsdruck, Düsentemperatur, und Düsenabstand werden neben Lachgas tert-Butylalkohol und n-Pentan hinsichtlich ihrer Partikelbildung charakterisiert. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Expansion nahkritischer Lösungen.