Study of molecular photoswitches with X-ray photoelectron and absorption spectroscopy

Over the years, research on photoactive molecules has gained attention due to its implications in many scientific fields. Understanding the ultrafast electronic dynamics within these molecules enable us to potentially control and harness their properties. For instance, photoactive molecules play a crucial role in the development of advanced materials for photonics, light manipulation, and optical data storage. In biology, photosensitive biomolecules paves the way to innovative approaches in optogenetics and molecular imaging. Hemithioindigo, in particular, emerges as rising photoswitcher. It can be present under two isomer configurations, E and Z, that can be switch with a radiation in the visible range (λ=402/490 nm). This thesis centers on the study of the complex molecules Hemithioindigo. The study aims to provide deep insights into molecular behavior upon irradiation, in particular on the valence and core electronic structure. The experimental activities of mass spectrography with TOF and Photoelectron Spec troscopy with synchrotron radiation performed on HTI-OMe and HTI-SMe are described and the collected results are presented. The goal of the work is, also, to design a molecular source to vaporize solid biological molecules to implement the ASTRO beamline for ultrafast spectroscopy (femtoseconds scale). This apparatus will allow to perform transient absorption spectroscopy on HTI- and other biologically relevant molecules in gas phase.

Negli anni, la ricerca sulle molecole fotoattive ha attirato l’attenzione, a causa delle sue implicazioni in molteplici campi scientifici. La comprensione delle dinamiche elettroniche ultraveloci all’interno di queste molecole ci consente potenzialmente di controllarne e sfruttarne le proprietà. Ad esempio, le molecole fotoattive svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo di materiali avanzati per la fotonica, la manipolazione della luce e la memorizzazione ottica dei dati. Nel campo della biologia, le biomolecole fotosensibili aprono la strada a innovative approcci in optogenetica ed imaging molecolare. La molecola di Hemithioindigo, in particolare, è un fotoswitcher emergente. Può essere presente in due configurazioni isomere, E e Z, che possono essere invertite con una radiazione nella gamma visibile (λ = 402/490 nm). Questa tesi si concentra sullo studio delle complesse molecole di Hemithioindigo. Lo studio mira a fornire approfondimenti sul comportamento molecolare durante l’irradiazione, in particolare sulla struttura elettronica di valenza e di core. Vengono descritte le attività sperimentali di spettrografia di massa con TOF e spettroscopia di fotoelettroni con radiazione di sincrotrone eseguite su HTI, HTI-OMe e HTI-SMe, e vengono presentati i risultati ottenuti. L’obiettivo del lavoro è anche progettare una sorgente molecolare per vaporizzare molecole biologiche solide al fine di implementare la beamline ASTRO, realizzata per la spettroscopia ultraveloce (femtosecondi). Questa apparecchiatura permetterà di eseguire spettroscopia di assorbimento transiente su HTI- e altre molecole biologicamente rilevanti in fase gassosa.