Universität Bielefeld Fakultät für Chemie Biophysikalische Chemie und Photochemie english


Zeitaufgelöste IR- und UV/Vis-Spektroskopie

Die Absorption von Licht durch einen Chromophor löst eine Abfolge von chemischen Reaktionen aus. Die zeitaufgelöste Spektroskopie ist eine analytische Methode, die es uns erlaubt, diese Reaktionen aufzuklären, indem wir Intermediate und Produkte identifizieren und deren Kinetik bestimmen.

In Lichtsensoren reagiert der Chromophor mit Aminosäuren der Proteinumgebung. Diese Aminosäuren sowie Änderungen in der Sekundär- und Tertiärstruktur lassen sich mit Hilfe der Spektroskopie identifizieren.

Wir nutzen aus, dass sich bei der Reaktion eines Chromophors sowohl dessen Absorption im UV/Vis-Bereich (seine Farbe) wie auch im IR-Bereich (seine Normalschwingungen) in charakteristischer Weise ändern.

FTIR-Spektroskopie

Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR) Spektroskopie erlaubt es uns, die Struktur und Zusammensetzung von Farbstoffen, Proteinen, Zellen und vielfältigen Materialien zu untersuchen (siehe auch Angew. Chem. 2010).

Mit Hilfe der lichtinduzierten Differenzspektroskopie lösen wir Reaktionen des Chromophors und chemische Prozesse einzelner Aminosäuren auf vor dem Hintergrund tausender Normalschwingungen der komplexen (Protein-)Umgebung und des Wassers.

Vorteile gegenüber der UV/Vis-Spektroskopie sind die kleinere Linienbreite und große Anzahl an Übergängen und damit eine weitaus höhere Spezifizität und eindeutige Identifizierung.

Zeitaufgelöste UV/Vis-Spektroskopie

Bei der zeitaufgelösten UV/Vis-Spektroskopie verfolgen wir Änderungen in der Absorption von Weißlicht durch den Chromophor nach Anregung mit einem Laserpuls mit einer Länge von wenigen Nanosekunden.

Das gesamte UV/Vis-Spektrum der Probe wird zu verschiedenen Zeitpunkten von 60 Nanosekunden bis Sekunden nach Anregung als Differenz aufgenommen und analysiert (siehe Photochem. Photobiol. 2011).

Zeitaufgelöste FTIR-Spektroskopie

Wir verwenden Rapidscan- und Stepscan-Techniken mit denen der Ablauf zyklischer Prozesse über einen weiten Zeitbereich von 500 Nanosekunden bis Sekunden nach Anregung mit einem Laserpuls aufgeklärt wird (siehe Biophys. J. 2009).

Die Stepscan-Methode deckt einen wichtigen Zeitbereich ab, der durch andere Methoden wie der ultraschnellen Pump-Probe-Spektroskopie nicht oder nur prinzipiell erreicht werden kann.

Die Aufzeichnung erfolgt dabei kontinuierlich sowohl in spektraler als auch zeitlicher Hinsicht und führt damit zu einem lückenlosen Datensatz.

Die Daten werden über Singulärwertzerlegung und Globalfit analysiert, wodurch sich Reaktionsmodelle erstellen lassen.

Methodenentwicklung

Eines unserer Ziele ist es, auch irreversible Reaktionen und Systeme mit langen Zykluszeiten untersuchen zu können. Dies gelingt unter anderem durch die Integration von mikrofluidischen Flusszellen (siehe PCCP 2013).

Wir haben gezeigt, dass sich die Zeitauflösung der DC-Stepscan-Methode durch entsprechende elektronische Synchronisation steigern lässt (siehe JACS 2015).

Der Einsatz von leistungsstarken Quantenkaskadenlasern erlaubt es uns, ganz neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Reaktionen von Monolagen mit einer Stärke von wenigen Nanometern analysieren wir mit der ATR-Spektroskopie.

Wir kompensieren die fehlende, örtliche Information der IR-Spektroskopie an Proteinen durch die Doppeldifferenzspektroskopie:

- die Segment-aufgelöste Doppeldifferenzspektroskopie kann Signale spezifischen Sekundärstruktur-Elementen oder Domänen in Proteinen zuordnen (siehe Biochemistry 2010, Nachr. Chem. 2011, Nucleic Acids Res. 2016).

- durch Isotopenmarkierung und Doppeldifferenzen adressieren wir einzelne Aminosäuren in Zusammenarbeit mit der Theorie (siehe Sci. Rep. 2016).

Theorie

Die Interpretation und Zuordnung der Infrarotspektren erfolgt unter anderem durch eigene quantenchemische Rechnungen unter Einbeziehung einer expliziten, modellhaften Umgebung. Sogar Differenzspektren lassen sich so generieren (siehe J. Phys. Chem. Lett. 2010, PCCP 2013).

Für sehr anspruchsvolle Fragestellungen und die Berechnung von Doppeldifferenzspektren sind wir auf Kooperationen angewiesen (siehe Sci. Rep. 2016).

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