Femtosekunden-zeitaufgelöste Polarisationsgitter - ein neuer Weg zur Untersuchung von Chiralität mit sub-100-fs-Zeitauflösung
Biophysics
Final Report Abstract
Die wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen dieses Projektes verfolgten das Ziel, einen Einblick in die ultraschnellen Chiralitätsänderung während der Photorekationen kleiner Moleküle zu gewinnen. Chiralität beschreibt Moleküle, die nicht durch Rotation mit ihrem Spiegelbild überlagert werden können. Die meisten biologischen Moleküle sind chiral und existieren präferenziell in einer der beiden Enantiomere. Obwohl beide Enantiomere die gleichen Bestandteile besitzen, haben sie unterschiedliche Eigenschaften und können anders auf ihre Umwelt reagieren. Die Vermessung der Chiralität ist deshalb experimentell-analytischer Standard – aber die Vermessung von Chiralitätsänderungen, vor allem mit hoher zeitlicher Auflösung, ist ein noch sehr junges Forschungsgebiet. Allerdings sind aufgrund der hohen experimentellen Hürden zur Zeit nur sehr wenige Experimente bekannt, die ultraschnelle zeitaufgelöste Chiralitätsmessungen zu leisten vermögen. Die experimentelle Zielstellung des Projekts, einen experimentellen Aufbau für Femtosekundenzeitaufgelöste transiente Polarisationsgitter zur Messung ultraschneller Chiralitätsänderungen bis hinein ins mittlere UV zu realisieren, stellt – nach Bearbeitung der Fragestellung in dem Projekt – unserer Meinung nach keine gut gangbare Lösung der Fragestellung dar. Daher wurde in dem Projekt ein transienten Zirkular Dichroismus (TRCD) Spektrometers realisiert, dessen Zeitauflösung bis dato die beste im mittleren UV ist. Mit genau diesem TRCD Spektrometer, dessen Zeitauflösung 280 fs im mittleren UV beträgt, ist es erstmals gelungen die Ringöffnung des 7-Dehydrochlesterol direkt und in Echtzeit zu beobachten. Somit konnte die bisher Uneindeutigkeit der Zeitkonstante der Ringöffnung geklärt werden und es ist nun bekannt dass die Ringöffung innerhalb der ersten Pikosekunde nach der Anregung stattfindet. Neben den methodologisch-experimentellen Arbeiten und der Untersuchung der Photophysik des 7-DHC, sind Vorarbeiten zur Untersuchung der chiralen Photophysik an zwei weiteren molekularen Systemen vorgenommen worden: • Bei der Untersuchung von Myoglobin (Mb) als Paradigmasystem für Proteine, die einen Häm- Kofaktor tragen, zielten die Vorarbeiten darauf ab, die niederfrequente Schwingungsstruktur in Abhängigkeit vom Denaturierungszustand zu untersuchen. Diese Vorabreiten zielen auf eine Untersuchung kohärenter TRCD-Signale bei der photoinduzierten CO-Abspaltung von dem Häm-Kofaktor des Mb und dessen Abhängigkeit von dem Grad der Denaturierung des Polypeptids. • Am trans-1,2-Di(2-naphthyl)ethylen (DNE) wurden Voruntersuchungen mittels transienter Absorption durchgeführt, um Details über die ultraschnelle Photophysik des Systems, das nach Anregung im mittleren UV ein chirales Photoprodukt, das 4a,4b-Dihydrodibenzphenanthren (DHP) bildet, zu lernen. Da eine solche grundlegende Charakterisierung der ultraschnellen Reaktionsschritte mittels transienter Absorption nicht vorlag, musste sie in einem ersten Schritt – noch vor der Untersuchung des TRCD – vorgenommen werden. Aufgrund der experimentellen Herausforderung, die die Realisierung des TRCD-Spektrometers und die Durchführung entsprechender Messungen darstellen, konnte im Rahmen der Laufzeit dieses Projekts nicht auf den oben skizzierten Vorarbeiten aufgebaut und die entsprechenden Photoreaktionen mittels TRCD charakterisiert werden. Jedoch eröffnet der in diesem Projekt entstandene zeitaufgelöste Zirkular Dichroismus Aufbau mit der bisher besten Zeitauflösung im mittleren UV eine neue Dimension für die Ultrakurzzeit Spektroskopie. Es ist geeignet, die Konformations- und Konfigurationsänderungen von kleinen Molekülen in Lösung anhand der zeitlichen Veränderung ihres CD-Signals zu untersuchen. Die direkte Integration des neuen TRCD Aufbaus in einen bestehenden Transienten-Absorptions-Aufbau ermöglicht ideale Vergleichbarkeit zwischen den beiden komplementären Messmodalitäten. Mit dem neu etablierten TRCD Spektrometer ist ein weiterer Schritt getan worden, um transiente Chiralitsmessungen in das Portfolio der Ultrakurzzeitspektroskopie zu integrieren.
Publications
- (2011) Femtosecond Coherence Spectroscopic Study of the Onset of Chemical Denaturation of Myoglobin upon Addition of Minor Amounts of Urea. Z. Phys. Chem. 225, 741-752
Meyer-Ilse, J., Akimov, D., and Dietzek, B.
- (2012) Ultrafast Circular Dichroism Study of the Ring Opening of 7-Dehydrocholesterol. J. Phys. Chem. Lett. 3, 182-185
Meyer-Ilse, J., Akimov, D., and Dietzek, B.
(See online at https://doi.org/10.1021/jz2014659) - (2013) Advances in ultrafast time-resolved chirality measurements: perspective and outlook. Laser & Photonics Rev.
Meyer-Ilse, J., Akimov, D., and Dietzek, B.
(See online at https://doi.org/10.1002/lpor.201200065)
