Physikalische Chemie II - Laserspektroskopie und Biophotonik

Höchstauflösende Spektroskopie mit modernen Lasermethoden

Animation (avi: 400x170)

Wie schnell ist der Protonentransfer in doppelten Wasserstoffbrückenbindungen?

Ultrakalte Moleküle nahe am absoluten Nullpunkt (bei 0,37 K!)

Laserspektroskopie in supraflüssigen Helium-Nanodroplets - gefördert im Rahmen des SP1116 Quantum Solvent: Phys. Rev. Lett. 95, 215301 (2005) Gefördert durch DFG Forschergruppe 618 (Pressemitteilung)

Chemie an Grenzflächen

Die Chemie an Grenzflächen ist in den letzten Jahren zunehmend in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Moderne experimentelle und theoretische Methoden ermöglichen mehr und mehr ein mikroskopisches Verständnis dieser wichtigen Problemstellung in der Chemie. Unser Ziel ist es, mit Hilfe der Laserspektroskopie ein mikroskopisches Verständnis der Struktur und Dynamik an Grenzflächen zu erhalten. Dazu werden biomolekulare Grenzflächen wie die Hydrathülle zwischen Protein und Wasser oder selbstorganisierte Monoschichten (self assembled monolayers) untersucht. Dazu wurden neue experimentelle Hilfsmittel entwickelt, um den Spektralbereich der intra-und intermolekularen Schwingungen, den IR und THz Bereich für diese Fragestellungen zu nutzen.

1. THz Untersuchungen der Schwingung in Biomolekülen und Solvatationsdynamik

Während es in den letzten Jahren einen sehr großen Wissenszuwachs über die Strukturen von Proteinen und Biomolekülen gegeben hat, ist gleichzeitig zunehmend klar geworden, dass ein volles Verständnis ihrer Funktionen eine verbesserte Beschreibung der Dynamik erfordern wird. Während bei kleinen Molekülen die Dynamik durch intramolekulare Bewegungen bestimmt wird, vermutet man, dass die relevanten Bewegungen bei der Proteindynamik die Gerüstschwingungen und Atmungsschwingungen sind. Diese Bewegungen beeinflussen das Lösungsmittel, wobei die Dynamik des Lösungsmittels wiederum im Gegenzug die Proteindynamik beeinflussen kann. Terahertz-Spektroskopie ist in der Lage, diese großamplitudigen Bewegungen der Biomoleküle direkt zu beobachten. Wir konnten in unseren Arbeiten zeigen, dass damit gleichzeitig auch ein neuer Zugang zu den kollektiven Bewegungen des Lösungsmittels möglich ist.

Der THz Bereich, der in den Bereich zwischen Mikrowellentechnologie und Diodenlasertechnologie fällt, wird auch als "THz gap" bezeichnet. Die THz Spektrokopie von Proteinen in Flüssigkeiten wird zusätzlich erschwert durch die starke Absorption von Wasser in diesem Spektralbereich. Wir haben bei uns ein leistungsstarkes THz Germanium Laser Spektrometer entwickelt, mit dem man genaue THz Absorptionen im Bereich zwischen 1-4 THz messen kann (New p-Ge THz spectrometer for the study of solutions: THz absorption spectroscopy of water, Rev. Sci. Instr. 76, 063110 (2005)). Dadurch sind wir in der Lage, Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung zu vermessen und direkt kollektive Schwingungen auf der Längenskala zwischen 0.3nm-1nm zu beobachten (aktuelle Arbeiten: Solute induced retardation of water dynamics probed directly by THz spectroscopy, PNAS 103, 12301 (2006) und D.M. Leitner, M. Havenith, M. Gruebele, Biomolecule large amplitude motion and solvation dynamics: Modeling and probes from THz to X-rays, Int. Rev. Phys. Chem. 25(4), 553-582 (2006).

• Aktuell: RUBIN Ausgabe 2009 - Wasser und Proteine: Ein starkes Team - Wer führt im Terahertz-Tanz  -
• Pressemitteilung: Proteinfaltung verändert das Wasser in der Umgebung - Neue Erkenntnisse der Terahertz-Spektroskopie - RUB-Chemie beobachtet Änderungen des „THz-Tanzes“
• Pressemitteilung: Der Terahertz-Tanz des Wassers mit den Proteinen - PNAS berichtet: Disko wird zum Menuett - Protein-Einfluss hat eine unvermutet große Reichweite.
• Pressemitteilung (als PDF): Das Geheimnis des Zuckerwassers - Mit Terahertzstrahlung uraltes Rätsel gelöst - Wasser ist aktiv: RUB-Chemiker beenden Spekulationen.
• THz-Spektroskopie (PDF, Quelle: R. Scharf, Highlights AMOP - AK Atome, Moleküle, Quantenoptik und Plasmen, Physik Journal 5, Nr. 8/9, S. 104 (2006)).
• Archive: Bunsen Discussion Meeting 2007: Exploring THz Spectroscopy. Post-conference information.

Diese Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit Martin Gruebele und David Leitner durchgeführt und wurden vom Human Frontier Science Program finanziert (Pressemitteilung und weitere Informationen zu THz Projekten auf unseren Webseiten).

2. Infrarot Nahfeld-Mikroskopie: Scanning near field infrared microscopy (SNIM)

Die genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen ist für viele Bereiche, wie Materialwissenschaften, Mikroelektronik oder die Untersuchung biologischer Proben von Bedeutung. Viele der gängigen Techniken benötigen spezielle Untersuchungsbedingungen wie eine Vakuumumgebung oder zusätzliche Oberflächenbehandlungen durch Metallbeschichtung. Ein weiterer experimenteller Zugang für die markierungsfreie Charakterisierung von funktionellen Gruppen auf Oberflächen im nm Maßstab bietet die Infrarot Nahfeld-Mikroskopie. Mit Hilfe eines selbstentwickelten IR-OPO konnte in unserer Arbeitsgruppe der Spektralbereich um den chemisch wichtigen Bereich der O-H und C-H Schwingung erweitert werden. Damit gelang die markierungsfreie Charakterisierung von verschiedenen Dotierung in einem Siliziumwafer mit einer Auflösung von 30 nm (Set-up of a SNIM: Imaging of sub-surface nano-structures, PCCP 8, 753 (2006)). Zusätzlich konnten wir damit erfolgreich einzelne Gruppen in selbstorganisierten Monoschichten spektroskopische charakterisieren mit einem Volumen von 10-20 Liter: Chemical Imaging of Microstructured Self-Assembled Monolayers with Nanometer Resolution, J. Phys. Chem. C 111, 8166 (2007). Cover-Artikel (siehe Bild):  SNIM-Scanning near-field infrared microscopy, Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. C: Phys. Chem., 104, 235-255 (2008).

Diese Arbeiten werden finanziell durch die DFG (HA2394/12) unterstützt. Sie sind Teil des EU Programms Marie-Curie Early Stage Research Training school INTCHEM: Non covalent interactions in chemistry and biochemistry. Weitere Details siehe auch RUBIN Ausgabe Herbst 2007: Die Molekulare Zaubertafel (Artikel als PDF).

Pressemitteilung: Eine Million Euro für die Mikroskopie mit Infrarot- und Terahertzstrahlung - RUB-Forscher erhalten Förderung aus dem BMBF - Schnelle, hochauflösende Bilder für Material- und Biowissenschaften: Zwei Jahre wird das Gerät in Bochum stehen. Nach der Aufbau- und Testphase zieht es dann in zwei Jahren nach Karlsruhe um. Am dortigen Elektronenbeschleuniger ANKA wird die notwendige Breitband-Synchrotronstrahlung erzeugt, mit der das Mikroskop arbeitet. Dieser Aufbau ist in Deutschland einzigartig.

WINTER COLLEGE ON MICRO AND NANO PHOTONICS FOR LIFE SCIENCES, Conference Organizer(s): Directors: Mario Bertolotti (Univ. of Rome, Italy), Martina Havenith (Ruhr Univ., Bochum, Germany) and Oscar. E. Martinez (Univ. of Buenos Aires, Argentina); ICTP Local Organizer: J. J. Niemela, Trieste - Italy, 11 - 22 February 2008.

Pressemitteilung: Erfinderpreis 2007 verliehen an Prof. Dr. Martina Havenith-Newen und Dr. Erik Bründermann im Rahmen der Veranstaltung: 10 Jahre rubitec - Innovationsgesellschaft der RUB.

3. Biophotonik

Wir haben eine markierungsfreie Technik entwickelt, um intrazelluläres Wasser in einzelnen Zellen zu vermessen. Oxidativer Stress, die Zugabe von Hormonen oder Medikamenten wie z.B. Insulin kann die interzelluläre Wasserkonzentration ändern. Dies ist direkt mit einer Änderung der Proteinsynthese gekoppelt (D. Häussinger, Biochem. J. 313, 697 (1996)). Wir haben eine Methode entwickelt, mit der wir die Wasserkonzentration von einzelnen Zellen in Echtzeit messen können. Mit Hilfe eines Infrarotdiodenlaser wird auf der Obertonbande des Wassers die Absorption bei 1400 nm vermessen.

Als erstes Anwendungsbeispiel wurde die Änderung des Wassergehaltes bei Hepatozyten (Leberzellen) von Ratten beobachtet. Bei der Verdünnung der Nährstofflösung HBSS (Hank’s balanced salt solution) wurde eine Schwellung der Zelle beobachtet, die durch eine Änderung der Wasserkonzentration gekennzeichnet ist (siehe auch Pressemitteilung und weitere Informationen zur Infrarot-Mikroskopie von lebenden Zellen auf unseren Webseiten).

Diese Arbeiten sind Teil des Universitätszentrums für Medizintechnik (Sektion 2 - Bildgebung) in Bochum.

Der Zusammenhalt von Schneebällen, die Stabilität von Seifenblasen, die Bildung von Wassertropfen, daß Geckos an der Decke laufen können: All dies ist eine Konsequenz von intermolekularer Wechselwirkung. Diese Wechselwirkung verbindet Moleküle ohne eigentliche chemische Bindung. Sie beeinflußt die Transporteigenschaften realer Gase spielt aber auch eine entscheidende Rolle bei der Nahordnung in Flüssigkeiten und der Kristallisation von Festkörpern.

Eine Sonderstellung nimmt die Wasserstoffbrückenbindung ein. Sie bestimmt die besonderen Eigenschaften von flüssigem Wasser und die Kristallisation von Schneeflocken ebenso wie die Struktur von Proteinen und der DNA. Die Wasserstoffbrückenbindung ist schwächer als die chemische, aber stärker als die van-der-Waals-Bindung und ist stark gerichtet. Dadurch wird die Bindung nicht ständig durch thermische Fluktuationen zerstört, kann aber mit geringem Energieaufwand gelöst werden. Dies erlaubt Veränderungen in andernfalls starren Konfigurationen und ermöglicht somit z.B. die Replikation des genetischen Codes. Die bekannte DNA-Doppelhelixstruktur nach Watson und Crick wird durch Doppel- oder Dreifach-Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert.