LIFE SCIENCES. Energy transfer in the red fluorescent protein DsRed in confined optical fields. Band 3

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1 Energy transfer in the red fluorescent protein DsRed in confined optical fields Energieüberträge in dem rot fluoreszierenden Protein DsRed in definiert begrenzten optischen Feldern LIFE SCIENCES Band 3 RHOMBOS

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar RHOMBOS-VERLAG Bernhard Reiser Kurfürstenstr. 17 D Berlin VK-Nr RHOMBOS-VERLAG, Berlin Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, auch auszugsweise, verboten. Kein Teil dieses Werkes darf außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme gespeichert, verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Eine Haftung für die Richtigkeit der veröffentlichten Informationen kann trotz sorgfältiger Prüfung vom Verlag nicht übernommen werden. Druck: dbusiness.de GmbH, Berlin Printed in Germany ISBN

3 Energy transfer in the red fluorescent protein DsRed in confined optical fields Energieüberträge in dem rot fluoreszierenden Protein DsRed in definiert begrenzten optischen Feldern DISSERTATION der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Eberhard-Karls-Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften 2008 vorgelegt von Frank Schleifenbaum

4 Tag der mündlichen Prüfung: Dekan: Prof. Dr. L. Wesemann 1. Berichterstatter: Prof. Dr. A. J. Meixner 2. Berichterstatter: Prof. Dr. G. Gauglitz 3. Berichterstatter: Prof. Dr. M. Sauer

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7 Table of Contents Table of Contents VII List of Abbreviations IX 1. Introduction Scope of this thesis Outline of this thesis 4 2. Theoretical background and instrumentation Principles of molecular emission Experimental methods and instrumentation Preparation of dye-matrices for bulk and single molecule studies Autofluorescent proteins Multiparameter spectroscopy on single DsRed proteins Introduction Experimental methods Spectral and time domain microscopy Calculations Conclusion Fluorescence spectroscopy and surface enhanced resonance Raman scattering (SERRS) on the same individual protein and its photoproducts Introduction Experimental Spectroscopic results Conclusion Spectral control of Förster resonant energy transfer (FRET) by the optical mode of a sub-wavelength microresonator Introduction Microresonator design Transmission properties of the microresonator Spatial resolution of chromophoric subpopulations within DsRed tetramers 74 VII

8 Table of Contents 5.5. Microresonator controlled energy transfer of randomly dispersed donor-acceptor pairs Single molecule spectroscopy of DsRed in a microresonator Conclusion Controlled disentanglement of coupled dipole emitters by confinement of the electromagnetic field Introduction Microresonator design and characterisation Frequency-domain donor dequenching using continuous-wave irradiation Time-domain donor dequenching by pump-probe measurements Conclusion Determination of the fluorescence quantum efficiency by mode confinement of the electromagnetic field Introduction Experimental Modeling the fluorescence lifetime of molecules embedded in a microresonator Towards application: liquid-phase microresonators Conclusion References Appendix Acknowledgement Summary Zusammenfassung Curriculum Vitae Scientific Contributions Academic Teachers 138 VIII

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