Die Photosynthese in Pflanzen ist Gegenstand intensiver Forschung. Die Absorption von Licht und dessen Umwandlung in Energie folgt molekularen Mechanismen in Pigmenten bzw. den sogenannten lichtsammelnden Komplexen. Ihr Verständnis bringt uns weiter im Hinblick auf die Biologie als auch auf die Entwicklung effizienter Energiegewinnung aus Sonnenlicht. Unterschieden werden elektronische Anregungsprozesse in einzelnen Molekülen von kollektiven Anregungen in aggregierten Molekülen. Die nahe Umgebung der Pigmente erzeugt neue elektronische Energiezustände mit verbotenen und erlaubten Übergängen. Sie sind gekoppelt an intra- und intermolekulare Vibrationen. Diese sind als ursächlich anzusehen für die beobachteten extrem schnellen Prozesse auf der Femtosekunden-Skala. Zur Untersuchung dieser Prozesse wurden Methoden entwickelt, die es ermöglichen, Veränderungen im optischen Spektrum der Moleküle nachzuweisen. Dies ging einher mit der Erzeugung von immer kürzeren Laserpulsen, welche den Zugang zu solchen Phänomenen erlaubte. Weil die Zeitskalen molekularer Prozesse so kurz sind, kann das Heisenbergsche Unschärfeprinzip nicht ignoriert werden, welches besagt, dass Zeitpunkt und Energie nicht gleichzeitig mit beliebig hoher Auflösung bestimmt werden können. Die 2D- Spektroskopie ist das Ergebnis einer Weiterentwicklung der Pump-Probe-Spektroskopie, bei der zu verschiedenen Zeiten Informationen über die Besetzung und Übergangsraten elektronischer Energieniveaus gewonnen werden. Zweidimensional meint in diesem Zusammenhang das Auftragen des Signals gegen die Frequenzen der Anregung und der Emission. Es gibt verschiedene methodische Realisierungen dieses Verfahrens, welche in der Veröffentlichung, die diesem Artikel zugrunde liegt, gut beschrieben werden (1).

Einigen dieser Methoden ist gemeinsam, dass sie die Aufnahme von Spektren mit hoher Wiederholrate verlangen. Abhängig von der gewählten Realisierung kann die spektrale Information als minimale Variation auf einem hohen Hintergrund verborgen sein. Diese schwachen Signale sichtbar zu machen, verlangt einen Detektor mit hoher Dynamik, dem Quotienten aus Pixelkapazität und Ausleserauschen. CCD-Detektoren stoßen oft an ihre Grenzen, weil das Ausleserauschen mit steigender Ausleserate zunimmt. Zunehmend bieten sich auch sCMOS-Kameras als Alternative an. Sie bieten hohe Ausleseraten verbunden mit einem sehr geringen Ausleserauschen. Mittlerweile gibt es CMOS-Sensoren mit großer Pixelgröße, welche Dynamik, Rauschen und Sensitivität ideal miteinander vereinen. Wir stellen hier zwei Kameras dieser Art vor, die sich für 2D- bzw. Pump-Probe-Spektroskopie als praxistauglich erwiesen haben. Die ZYLA-5.5 sCMOS (Andor Technology) ist in der Lage, schmale, 8 Zeilen hohe, Spektren bei bis zu 27000 Hz mit physikalischen 15 bit Intensitätsauflösung aufzunehmen. Die Marana sCMOS-Kameras (Andor Technology) mit ihrer höheren Quanteneffizienz erlauben Raten von bis zu 11655 Hz mit vergleichbarer Zeilenzahl und externen Triggerung. Im Multitrack-Modus ist es möglich, räumlich getrennte Spektren fast gleichzeitig in schneller Folge aufzunehmen. Die schnellstmögliche Aufnahmerate ergibt sich dabei aus der Zeilenanzahl und ihrem Abstand auf dem Sensor. So sind auch für zwei Tracks mehrere Tausend Hz möglich. Weil das Binning von CMOS-Pixeln die 16 bit-Skala von 65536 AD counts sprengen würde, wurde eine FPGA-Vorverarbeitung implementiert, die die addierten Intensitätswerte im 32 bit Format an den Rechner überträgt.