Fluorescence Responses of Single Organic Dye Molecules as (Bio-)Reporters in Complex Nano-Environments

Abstract

Fluorescent organic molecules have found tremendous interest in modern photonics, sensing, and life sciences due to their sensitivity to the local chemical and photonic nano-environment. However, understanding the underlying photochemical and photophysical mechanisms remains challenging, as conventional ensemble spectroscopic methods often obscure critical details arising from inherent structural heterogeneity and dynamic processes. Single-molecule spectroscopy overcomes these limitations by directly probing the individual molecular behaviors in complex nano-environments.

In this thesis, a spectroscopic-computational framework is established, centered on a fundamental study of single-molecule tautomerization in the prototypical organic dye: hypericin. Tautomerization, driven by proton migration via quantum tunneling, leads to interconversion between distinct structural isomers (tautomers). By combining polarization-resolved single-molecule confocal microscopy with quantum-chemical calculations, this methodology allows the spatial determination of transition dipole moments (TDMs) and the unambiguous identification of individual tautomeric species. Furthermore, the tautomerization rates can be tailored both chemically, via different polymer hosts and isotope effects, and photonically, using a lambda/2 Fabry-Pérot microcavity.

Beyond hypericin, this combined spectroscopic-computational methodology is successfully extended to two further applications: (i) investigating complex excited-state photokinetics in a stimulus-responsive donor-acceptor-donor (DADn) system, and (ii) elucidating surface-enhanced Raman scattering (SERS) in rhodamine 6G (R6G) confined within nanoparticle-on-mirror (NPoM) geometries. These case studies highlight the versatility and robustness of this approach, offering valuable insights into the design of functional molecular systems and paving the way for broader applications in nano-photonics, including but not limited to SERS and related optical platforms

Die Dissertation ist gesperrt bis 01.10.2026 !

Fluoreszierende organische Moleküle besitzen, aufgrund ihrer einzigartigen Sensitivität gegenüber lokalen chemischen und photonischen Umgebungsbedingungen, eine herausragende Bedeutung für moderne photonische Technologien, Sensoranwendungen und lebenswissenschaftliche Fragestellungen. Die detaillierte Aufklärung der zugrundeliegenden photophysikalischen und photochemischen Prozesse stellt jedoch nach wie vor eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung dar, da konventionelle Ensemble-spektroskopische Methoden durch strukturelle Heterogenitäten und komplexe dynamische Prozesse bedingte Schlüsselphänomene häufig nicht auflösen können. Die Einzelmolekül-Spektroskopie überwindet diese Einschränkung, indem sie das Verhalten einzelner Moleküle in komplexen Nano-Umgebungen direkt zugänglich macht. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein innovativer, methodenintegrativer Ansatz präsentiert, der spektroskopische Untersuchungen mit quantenchemischen Berechnungen kombiniert. Den konzeptionellen Kern bildet dabei eine fundamentale Studie zur Tautomerisierung des prototypischen organischen Farbstoffs Hypericin auf Einzelmolekülebene. Dieser durch protonengekoppelten Elektronentransfer via Quantentunneln getriebene Prozess führt zur reversiblen Umwandlung zwischen verschiedenen strukturellen Isomeren (Tautomeren). Durch die Entwicklung einer polarisationsaufgelösten konfokalen Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie in Kombination mit hochgenauen quantenchemischen Rechnungen gelingt erstmals sowohl die präzise räumliche Bestimmung der Übergangsdipolmomente (TDM) als auch die eindeutige spektroskopische Identifikation individueller Tautomere. Besonders bemerkenswert ist die demonstrierte Möglichkeit, die Tautomerisierungsraten sowohl durch chemische Modifikationen (Variation der Polymermatrix und Isotopeneffekte) als auch durch photonische Kontrolle mittels lambda/2-Fabry-Pérot-Mikroresonatoren gezielt zu steuern. Das hier entwickelte Verfahren wurde anschließend erfolgreich auf zwei weitere Fragestellungen angewandt: (i) die Untersuchung komplexer angeregter Photokinetiken in einem stimuli-responsiven Donor-Akzeptor-Donor-(DADn)-System und (ii) die Analyse der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) von Rhodamin 6G (R6G) in einer Nanopartikel-auf-Spiegel-(NPoM)-Anordnung. Diese Fallstudien unterstreichen die Vielseitigkeit und Robustheit des entwickelten Ansatzes, der nicht nur wertvolle Einblicke in das Design funktionaler molekularer Systeme bietet, sondern auch ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Nano-Photonik, insbesondere im Bereich SERS und verwandter optischer Plattformen, aufzeigt.