Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie in Polymerlosungen
Die Dynamik von Makromolek\xfclen spielt bei Transportprozessen in weicher Materie eine wichtige Rolle. Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) kann die\nDynamik spezifisch fluoreszenzmarkierter Molek\xfcle in L\xf6sung verfolgen. Das Prinzip der Methode basiert auf der Analyse von Intensit\xe4tsfluktuationen innerhalb eines Volumens in der Gr\xf6\xdfenordnung eines Femtoliters (1 fl = 1 Kubikmikrometer). In dieser Arbeit wurde mit FCS die Dynamik von DNA, Aktin und\nHyalurons\xe4ure untersucht. Die Schwerpunktsdiffusion in L\xf6sung, die intramolekulare Kettendynamik und das Verhalten von Polymerl\xf6sungen im Scherfluss wurden studiert. Die M\xf6glichkeit f\xfcr Messungen der Dynamik an Grenzfl\xe4chen wurde geschaffen.\n\n\nDie Autokorrelation fluoreszenzmarkierter DNA in L\xf6sung zeigt auf verschiedenen Zeitskalen charakteristische Abf\xe4lle, die ihre Ursache in unterschiedlichen dynamischen Prozessen haben. Mit den in dieser Arbeit entwickelten Modellfunktionen f\xfcr die Autokorrelation lassen sich die charakteristischen\nGr\xf6\xdfen der verschiedenen Prozesse durch Anpassung an die experimentellen Daten gewinnen. Bei kurzen Zeiten im Mikrosekundenbereich f\xe4llt die Korrelationsfunktion auf Grund photochemischer Prozesse der Fluoreszenzfarbstoffe exponentiell ab. Im Bereich von 10-100 Mikrosekunden\nzeigen die Daten einen weiteren Abfall, der stark von der Anzahl der Farbstoffe auf der Polymerkette abh\xe4ngt. Die On-Off-Kinetik eines Ensembles von Fluorophoren wurde in ein Modell f\xfcr die Korrelationsfunktion umgesetzt. Intensit\xe4tsfluktuationen im Bereich von 1 - 100 Millisekunden stammen von der Diffusion und den internen Relaxationsmoden der Polymerketten. Ein Modell f\xfcr die Korrelationsfunktion der Schwerpunktsdiffusion f\xfcr Polymerketten mit kontinuierlicher Farbstoffverteilung entlang der Kontur wurde entwickelt und mit experimentellen Daten von DNA-Fragmenten unterschiedlicher L\xe4nge (1019 bp bis 7250 bp) best\xe4tigt. Ausgehend von den dynamischen Strukturfaktoren der Modelle von Rouse, Zimm und semiflexibler Ketten in L\xf6sung wurden Korrelationsfunktionen f\xfcr interne Relaxationen berechnet\nund an Messdaten mit Lambda-DNA (48502 bp) angepasst. \xdcber den Abstand der Farbstoffe entlang der Polymerkontur werden Moden selektiert, deren Relaxationsdynamik sich in die Autokorrelationsfunktion \xfcbertr\xe4gt. Bei Abst\xe4nden, die viel gr\xf6\xdfer als die Persistenzl\xe4nge der DNA sind, liefert das\nangepasste Modell die erwarteten Werte f\xfcr die Zimm-Dynamik.\n\n\nAktinfilamente mit L\xe4ngen im Bereich von 100 Nanometern bis 50 Mikrometer wurden als Modellsysteme semiflexibler Polymere untersucht. F\xfcr Filamentl\xe4ngen, die kleiner als das Beobachtungsvolumen sind, ist die Korrelationsfunktion bestimmt durch die Schwerpunktsdiffusion. F\xfcr l\xe4ngere Filamente dominieren die Biegemoden. Charakteristisch f\xfcr diese Form der internen Relaxation ist das zeitliche Skalenverhalten mit dem Exponenten 3/4. Theoretische\nKorrelationsfunktionen, die in Zusammenarbeit mit Roland Winkler vom Forschungszentrum J\xfclich entstanden sind, zeigen eine sehr gute \xdcbereinstimmung mit den experimentellen Daten. Erstmals wurden Korrelationsfunktionen einzelner\nAktinfilamente im halbverd\xfcnnten Bereich gemessen. Die charakteristische Abfallzeit der Korrelationsfunktion als Ma\xdf f\xfcr die Dynamik der Biegemoden sinkt mit steigender Aktinkonzentration. F\xfcr Aktinkonzentrationen von 0,01\nmg/ml bis 1 mg/ml folgt die Abfallzeit einem Skalengesetz tau ~ c^(-0,48 +- 0,03).\n\n\nNeben der Diffusion wurde in dieser Arbeit die Dynamik in Str\xf6mungen untersucht. Zur Verfolgung von gerichteten Transportprozessen wurden zwei Foki mit einem lateralen Abstand von 5 Mikrometern erzeugt. Durch eine Kreuzkorrelation der beiden getrennten Intensit\xe4tssignale l\xe4sst sich die Zeit bestimmen, die die Teilchen zum Durchlaufen des Abstandes der beiden Foki ben\xf6tigen. Mit dieser mikroskopischen "Lichtschranke" wurden Flussgeschwindigkeiten in einem 100 Mikrometer hohen Kanal mit mikrometergenauer Ortsaufl\xf6sung gemessen. Die Scherverd\xfcnnung einer Hyalurons\xe4urel\xf6sung konnte anhand des Geschwindigkeitsprofils nachgewiesen und eine kritische Scherrate von 285 +- 30 s^(-1) bei einer Polymerkonzentration von 2,5 mg/ml bestimmt\nwerden.