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Lang gehegte Theorie widerlegt: Chemiker erklären Fingerabdruck von gelöstem Glycin im THz-Bereich

28.03.2014

Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben erstmals den Fingerabdruck eines biologisch relevanten Moleküls, hier einer Aminosäure, in Wasser vollständig im Terahertz-Spektralbereich analysiert.

Mit einer Kombination aus Spektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen machten sie die Bewegungen der einfachsten aller Aminosäuren, Glycin, in wässriger Umgebung sichtbar. Die Ergebnisse widerlegen die lang gehegte Theorie, dass Frequenzen im Terahertz-Bereich in wässriger Lösung keine Rückschlüsse auf die Bewegungen zulassen.

Terahertz-Tanz der Moleküle

Terahertz-Tanz der Moleküle: Die Molekülbewegungen der Aminosäure Glycin und der umgebenden Wassermoleküle führen zu charakteristischen Banden im Terahertz-Spektrum.

© RUB, Illustration: Decka, Havenith

Das Team um Prof. Dr. Martina Havenith-Newen und Prof. Dr. Dominik Marx berichtet im „Journal of the American Chemical Society“ (JACS).

Molekülbewegungen mit der Terahertz-Spektroskopie darstellen

Bei der Terahertz (THz)-Spektroskopie schicken Forscher kurze Pulse von Strahlung im THz-Bereich in die Probe. Der Bereich umfasst dabei Wellenlängen von ein bis zehn THz (0,3 Millimeter bis 30 Mikrometer) und liegt somit zwischen dem Infrarot- und Mikrowellenbereich. Die Probe, in diesem Fall ein Gemisch aus Wasser und Glycin, absorbiert einen Teil der Strahlung.

Dieses Absorptionsmuster stellen die Chemiker in Form eines Spektrums dar. Bestimmte Bereiche des Spektrums, sogenannte Banden, verraten etwas über die Bewegungen bestimmter Bindungen in den Molekülen. Die einzelnen Atome in einem Molekül sind nicht starr miteinander verbunden, sondern permanent in Bewegung. Komplexe Computersimulationen können entscheidend zur Interpretation der Spektren beitragen. Denn es ist nicht leicht, die einzelnen Banden eines Spektrums bestimmten Molekülbewegungen zuzuordnen.

THz-Analyse macht Bewegungen von Glycin in Wasser sichtbar

Das RUB-Team bewies, dass sich die THz-Analyse eignet, um sowohl Bewegungen innerhalb des Glycin-Moleküls darzustellen, als auch gemeinsame Bewegungen des Glycin-Moleküls mit den daran gebundenen Wassermolekülen. Die Banden im Terahertz-Spektrum spiegelten zum einen eine Öffnungs- und Schließbewegung des Glycins wider. Das Spektrum enthielt aber auch die Bewegungen der Wasserstoffbrücken zwischen dem Glycin und den daran gebundenen Wassermolekülen.

„Durch das Zusammenspiel von ab initio Molekulardynamik-Simulationen und Terahertz-Spektroskopie haben wir ein hervorragendes Instrument, um Lösungsvorgänge auf molekularer Ebene zu verfolgen und zu verstehen“, sagt Martina Havenith-Newen, Leiterin des Lehrstuhls Physikalische Chemie II.

Exzellenzcluster „RESOLV“

Die Arbeit entstand im Rahmen des Exzellenzclusters „RESOLV“ (Ruhr Explores Solvation, EXC 1069) der Ruhr-Universität Bochum, dessen Sprecherin Martina Havenith-Newen ist. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft bewilligte das Cluster im Juni 2012.

Titelaufnahme

J. Sun, G. Niehues, H. Forbert, D. Decka, G. Schwaab, D. Marx, M. Havenith (2014): Understanding THz spectra of aqueous solutions: glycine in light and heavy water, Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/ja4129857

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martina Havenith-Newen, Lehrstuhl Physikalische Chemie II, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24249, E-Mail: Martina.Havenith@rub.de

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083, E-Mail: dominik.marx@theochem.rub.de

Angeklickt

SolvationScience@RUB
http://www.ruhr-uni-bochum.de/solvation/

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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