Neuartiges Laborspektrometer für Pump-Probe NEXAFS-Untersuchungen an Biomolekülen in wässriger Lösung

• Antragstellerin: Dr. Ioanna Mantouvalou
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313838950

Der in diesem Forschungsvorhaben beantragte Ausbau eines Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektrometers (Near edge x-ray absorption fine structure = NEXAFS) soll die Möglichkeit erschließen, wässrige biologische Proben zeitaufgelöst im Labor zu untersuchen. Konkret sollen Fragestellungen bezüglich Struktur-Funktions-Beziehungen von photosynthetischen Pigment-Proteinkomplexen am Beispiel von Kupfer-Chlorophyllin (CuChl) als Modellsystem beantwortet werden und dabei die Machbarkeit von Pump-Probe Experimenten mit weicher Röntgenstrahlung unabhängig von Großforschungseinrichtungen gezeigt werden. Ermöglicht wird diese methodische und technologische Entwicklung durch ein Konzept basierend auf einer von der Antragstellerin aufgebauten Laserplasmaquelle für den weichen Röntgenbereich in Kombination mit hocheffizienten, hochauflösenden Reflexionszonenplatten (RZP), einer großflächigen CCD Kamera und einer Transmissionszelle (TM) für Flüssigkeiten. Das Design der RZP-Strukturen sowie die Entwicklung einer geeigneten Flüssigkeitszelle, sind Bestandteile des Vorhabens. Das Spektrometer soll für die Absorptionskanten der Bestandteile von CuChl (C, N, O K sowie Cu LIII Kanten) optimiert werden, sodass mit wenigen Einzelschussmessungen der Laserplasmaquelle, NEXAFS-Spektren mit einer spektralen Auflösung von E/DE~1000 und einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR~100) aufgenommen werden können. Der Aufbau wird es somit ermöglichen, auch aufwendig zu präparierende biologische Proben in ihrer nativen Form im Labor zu vermessen, die bisher nur an Synchrotronstrahlungsquellen untersucht werden konnten. Das NEXAFS Spektrometer muss durch die Charakteristika der Quelle im Transmissionsmodus betrieben werden, was technologisch die Probenpräparation erschwert, jedoch auch den Vorteil hat, eine mögliche Degradation der zu untersuchenden Proben während der Messung kontrollieren zu können. Darüber hinaus soll es der Aufbau erlauben, optische-Pump-Röntgen-Probe-Experimente an den Untersuchungsobjekten durchzuführen, um zusätzliche Informationen über optisch dunkle Übergänge zu erhalten (X-ray optical double resonance (XODR)-Verfahren). Dafür soll ein zweiter Anregungskanal (pump) mit Frequenzverdreifachung und durchstimmbarem Farbstofflaser und Verzögerungsstrecke in den Aufbau integriert werden. Das neue Spektrometer ermöglicht somit auch zeitaufgelöste Messungen, da das benutzte dispersive Element auch für fs-Spektroskopie geeignet ist. Zur Realisierung von Messungen auf fs-Zeitskalen ist ein Einsatz an anderen Quellen (z.B. HHG Quelle in Kooperation mit dem Max-Born-Institut) vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: NEXAFS Laborspektrometer (Eigenbau)
• Gerätegruppe: 4030 Röntgenfluoreszenz-Spektrometer