Single-Molecule-Spectroscopy
Meistens werden molekulare Prozesse in chemischen oder biologischen Systemen mit einer SEHR großen Anzahl von Molekülen (Molekülensemble) untersucht. Die Ergebnisse sind Mittelwerte, die bei homogenen Systemen gerechtfertigt sind. Individuelle (heterogene) Eigenschaften von Molekülen gehen bei dieser Art von Messung verloren.
Zwei Beispiele aus dem Alltag:
1) Das Pro Kopf Einkommen in Deutschland beträgt ca. 25000 Euro (Mittelwert). Darunter ca. 50 Milliardäre und 2,9 Mio. Sozialhilfeempfänger.
2) Außerirdische Soziologiestudenten machen eine Geschlechtererhebung der Erdlinge: Bei 6*109 Erdlingen insgesamt wurden 6*109 Hoden und 6*109 Eierstöcke gefunden. Im Mittel haben also alle Erdlinge einen Hoden und einen Eierstock. Sie könnten also Zwitter sein (wie die Außerirdischen selbst?). Bei einer beugungsbegrenzten Fokussierung des „Gender-rays“ und einer Einzel-Erdlingmessung stellt sich jedoch heraus, dass die Population in zwei Subpopulationen zerfällt: Eine mit 2 Hoden und eine mit 2 Eierstöcken!
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Die Beobachtungvon Einzelmolekülen anstelle eines Ensembles erlaubt neben der Messung des Mittelwerts einer Observablen auch die Bestimmung der Verteilung und das Auffinden von Subpopulationen. Dies hat in der Biochemie einen gewaltigen Fortschritt gebracht, insbesondere beim Auffinden von Enzymsubpopulationen und Enzymmechanismen.
Weiterhin entfällt bei zeitabhängigen Messungen das Problem der zeitlichen Synchronisierung der Moleküle im Ensemble, z.B. bei der hier durchgeführten Beobachtung der Rotation von Enzymuntereinheiten, was für eine Ensemblemessung prinzipiell unmöglich ist. Komplexe kinetische Prozesse wie die Proteinfaltung oder komplizierte Enzymmechanismen sind überhaupt nur durch Einzelmolekülmessungen zugänglich.