Multi-photon absorption process induced by ultra-fast light pulses

Abstract

Summary In photodynamic therapy (PDT) m-Tetra (hydroxyphenyl) chlorin (m-THPC, Foscan, Temoporfin) has proven to possess high photodynamic efficacy. This molecule is one of the rare photosensitizers approved for medical application on humans. In comparison I investigated similar molecules and compared them to Foscan. The benefit of two-photon absorption (TPA) is to be able to achieve deeper penetration into tissues. Four promising photosensitizers for photodynamic therapy (in cooperation with biolitec AG) of the porphyrin type: 5,10,15,20-tetrakis (m-hydroxyphenyl) porphyrin (m-THPP), chlorin 5,10,15,20-tetrakis (m-hydroxyphenyl) chlorin (m-THPC, temo-porfin) (Foscan), palladium 5,10,15,20-tetrakis (3-hydroxyphenyl)-porphyrinato-palladium-(II) (m -THPP-PD), and 5,15-Bis-(4-carboxphenyl)-10,20-dihexyl-porphyrin (m-TCP-PD) were studied. Furthermore the TPA cross-sections and spectra of Al(tpfc)(py)1 and Al(tpfc)(py)2 type 5,10,15 tris (pentafluorophenyl) corrole were studied, testing the usage for PDT. The PDT can be done with one-photon or two-photon excitation. The main disadvantage of single photon PDT is the limited penetration depth of the visible light into the tissue. It is possible to overcome this problem by using two-photon excitation with near-infrared (IR) light. In order to work with widely tunable light and tune the excitation wavelength, we built an optical parametric amplifier (OPA). The mode-locked Ti:sapphire laser (CPA-2001, Clark-MXP, Inc.) having full-width at half- maximum (FWHM) pulse-length of 150 fs at the fundamental wavelength of 775 nm was used to pump the OPA, generated white light, as well as to carry out some of the TPA measurements. The tuning range of the OPA with a pulse-width of 100–125 fs is from 1040 to 1450 nm. Two-photon processes are proportional to the square of the pump intensity. Two different techniques were used for measuring TPA spectra and TPA cross sections. One of them is based on the measurement of the change in the transmittance of a sample when it is scanned along the focused intense pump beam. It is so called open aperture z-scan method. The other one is the two-photon excited fluorescence (TPEF) technique. In this case the integral fluorescence induced due to the TPA is measured. The setup allows to measure the two-photon absorption and the two-photon excited fluorescence, simultaneously. Absolute TPA cross-sections were measured in the range of 1040 –1450 nm (520–725 nm transition wavelengths) and at 775 nm. Our measurements of TPA cross-sections at 775 nm for m-THPC, m-THPP, m-THPP-PD and m-TCP-PD dissolved in DMSO give the values of 28 ± 8 GM, 60 ± 20 GM, 120 ± 40 GM and 50 ± 20 GM, respectively. We found that TPA in the Q-band of studied compounds are smaller compared to the TPA at 775 nm, where the transition is close to the Soret band. Our measurements of TPA cross-sections at 775 nm for Al(tpfc)(py)1 and Al(tpfc)(py)2 give the magnitudes of 130 ± 40 GM and 300 ± 90 GM, respectively. In general TPA cross-sections in the range of 60 - 130 GM were reported for corroles. We measured the TPA cross-section for the mentioned organic molecules for linear and circular polarized exciting pulses. For all peaks in the measured TPA spectra the ratio of the cross section for circularly polarized light to that for linearly polarized light does not exceed 1. This indicates that the ground and excited Q-band states are of the same or similar symmetry. We studied the influence of solvents of different polarity on the TPA process in m-THPC (chlorin). The measurements show that the TPA cross-section increases by a factor of about 4 with increasing the polarity of solvents start from 5 to 7. We explained this by the change in the dielectric constant of the solution, influencing the TPA properties of the investigated molecule. Comparison of TPA with single-photon absorption can indicate differences in the symmetry of electronic transitions. In Fig.5.9b the TPA and TPEF at 550 nm is higher than for 590 nm, in contrast to the single-photon absorption. This could be explained by the pyramidalic structure of the corrole ring changing the symmetry for the two transitions. Moreover, differences in TPEF and TPA could point to different relaxation pathways. In Fig.5.7a the TPEF at 600 nm is much higher than at 550 nm or at 650 nm. This could be explained by a higher quantum yield of the fluorescence at 1200 nm excitation. In turn we expected a higher triplet quantum yield at 550 nm and 650 nm. My work shows that Foscan and related molecules are potiential photosensitizers, but an increase in TPA cross-section would greatly enhance their applications.

Zusammenfassung In der photodynamischen Therapie (PDT) hat 5,10,15,20-Tetra(m-Hydroxyphenyl) Chlorin (m-THPC, Foscan, Temoporfin) hohe photodynamische Wirksamkeit gezeigt. Dieses Molekül gehört zu den seltenen Molekülen, die für die humanmedizinische Anwendung zugelassen sind. Zum Vergleich mit Foscan habe ich ähnliche Moleküle untersucht. Der Vorteil der Zweiphotonenabsorption (TPA) ist ihre größere Eindringtiefe in Gewebe. Vier für die photodynamischen Therapie vielversprechenden Photosensibilatoren (in Zusammenarbeit mit der biolitec GmbH) der Porphyrin-Gruppe: 5,10,15,20-Tetrakis (m-Hydroxyphenyl) Porphyrin (m-THPP), 5,10,15,20-Tetrakis (m-Hydroxyphenyl) Chlorin (m-THPC, Temo-porfin) (Foscan), 5,10,15,20-Tetrakis (3-Hydroxyphenyl)-Porphyrinato-Palladium-(II) (m-THPP-PD), und 5,15-bis-(4-Carboxphenyl)-10,20-Dihexyl-Porphyrin (m-TCP-PD) wurden untersucht. Weiterhin wurden die TPA-Querschnitte und die Spektren von Al(tpfc)(py)1 und Al(tpfc)(py)2 aus der Gruppe der 5,10,15 tris (Pentafluorophenyl) Corrole gemessen, um ihre Brauchbarkeit für die PDT festzustellen. Die PDT kann mit Ein- und Zweiphotonenanregung durchgeführt werden. Der Hauptnachteil der Einphotonen-PDT is die geringe Eindringtiefe des sichtbaren Lichtes in das Gewebe. Dieser kann mit Zweiphotonenanregung im nahen Infrarot abgeschwächt werden Um mit einer breit verstimmbaren Lichtquelle, dessen Anregungswellenlänge einstellbar ist, zu messen, bauten wir einen optisch parametrischen Verstärker (OPA). Der Ti:Sapphir Laser (CPA-2001, Clark-MXP, Inc.) bei fester Mode mit Halbhöhenpulsbreite (FWHM) von 150 fs bei der fundamentalen Wellenlänge von 775 nm wurde als Pumpstrahlquelle des OPA eingesetzt, generierte das Weißlicht, und diente auch als Lichtquelle einiger TPA Messungen. Der Durchstimmbereich der OPA mit einer Pulsbreite von 100–125 fs war von 1040 nm bis 1450 nm. Zweiphotonenprozesse sind proportional dem Quadrat der Pumpintensität. Zwei verschiedene Messtechniken wurden angewandt, um die TPA-Spektren und TPA-Querschnitte zu messen. Eine basierte auf die Messung der Änderung der Transmittanz der Probe während sie durch einen fokussierten starken Pumpstrahl bewegt wird. Diese Methode wird offene Apertur z-durchstimm Methode (open aperture z-scan method) genannt. Die Andere ist die Zweiphotonen-angeregte-Fluoreszenz (TPEF) Messmethode. In diesem Fall wird die integrale von der TPA induzierten Fluoreszenz gemessen. Unser Aufbau erlaubt die gleichzeitige Messung der Zweiphotonenabsorption und der Zweiphotonen-angeregten-Fluoreszenz. Absolute TPA-Querschnitte wurden im Bereich von 1040 nm bis 1450 nm (520–725 nm Übergangswellenlänge) und bei 775 nm gemessen. Unsere Messungen der TPA-Querschnitte bei 775 nm von m-THPC, m-THPP, m-THPP-PD und m-TCP-PD, in DMSO gelöst, ergaben Werte von 28 8 GM, 60 20 GM, 120 40 GM and 50 20 GM, respektive. Wir stellten fest, daß TPA in der Q-Bande der untersuchten Verbindungen geringer ist als die TPA bei 775 nm. Dieser Übergang ist näher an der Soret Bande. Unsere Messungen der TPA- Querschnitte bei 775 nm von Al(tpfc)(py)1 und Al(tpfc)(py)2 zeigten Werte von 130 40 GM und 300 90 GM, respektive. Im Allgemeinen werden TPA-Querschnitte im Bereich von 60 - 130 GM für Corrole angegeben. Wir haben die TPA-Querschnitte der angegebenen organischen Molekülen für linear und zirkular polarisierte Anregungspulse gemessen. Für alle Linien in den gemessenen TPA-Spektren ist das Verhältnis der Querschnitte für zirkular und linear polarisiertes Licht kleiner 1. Dies weist daraufhin, daß der Grundzustand und die angeregten Q-Banden eine ähnliche oder die gleiche Symmetrie haben. Wir untersuchten den Einfluß der Polarität des Lösungsmittels auf den TPA-Prozeß für m-THPC (Chlorin). Die Messungen zeigten eine Vergrößerung des TPA-Querschnittes um einen Faktor vier bei einer Steigerung der Polarität des Lösungsmittels von 5 auf 7. Wir erklären diese durch die Änderung der dielektrischen Konstanten, die die TPA-Eigenschaften des untersuchten Moleküls beeinflusst. Der Vergleich der TPA mit der Einphotonenabsorption kann auf Unterschiede in den Symmetrien der elektronischen Übergängen hinweisen. In Abb. 5.9b ist die TPA und die TPEF bei 550 nm höher als bei 590 nm, im Gegensatz zur Einphotonenabsorption. Dieses könnte dadurch erklärt werden, daß die pyramidale Struktur des Corrole- Ringes ihre Symmetrie ändert. Weiterhin können Unterschiede zwischen TPA und TPEF auf mögliche unterschiedliche Relaxationswege hinweisen. In Abb.5.7a ist die TPEF bei 600 nm viel höher als bei 550 nm oder bei 650 nm. Dieser Sachverhalt könnte durch höhere Quantenausbeute der Fluoreszenz durch Anregung bei 1200 nm erklärt werden, und er erlaubt eine höhere Triplett-Ausbeute bei 550 nm und 650 nm zu vermuten. Meine Arbeit zeigt, daß Foscan und verwandte Moleküle mögliche Photosensibilatoren sind. Jedoch würde eine Erhöhung des TPA-Querschittes ihre Anwendbarkeit sehr verbessern.