[Zurück]

N. Kaun:
"New strategies for time resolved infrared spectroscopy of chemical reactions in solution";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): B. Lendl, H. Hoffmann; Chemische Technologien und Analytik, 2006.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Durchführung von zeitaufgelöster Infrarot (IR)
Spektroskopie an biochemischen Reaktionen im Millisekunden-Bereich. Zu diesem Zweck
wurde eine Durchflusszelle im Mikromaßstab mit integriertem Mischer erdacht, die sowohl
das rasche Mischen von Lösungen ermöglicht, wie auch das Beobachten der Mischung unter
kontinuierlichem Fluß entlang des Auslaß-Kanals. Zwei spezielle Designs wurden dafür in
Zusammenarbeit mit Peter Svasek vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TUWien
entwickelt. Es handelt sich dabei um Sandwichkonstruktionen aus zwei CaF2 Platten
und einer Schicht Epoxidharz SU-8 in der Mitte, welche die Konstruktion des Mischers und
des Kanals ausbildet. Durch die Konstruktion werden zwei Flüssigkeitsströme entweder durch
Überschichten oder Verengung des Kanals so nah aneinander gebracht, dass Diffusion
ausreicht, um die Lösungen in wenigen Millisekunden zu Mischen. In Zusammenarbeit mit
Michael Harasek vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische
Biowissenschaften der TU-Wien wurden numerische Fluidsimulationen durchgeführt, um die
Funktion des Mikromischers zu überprüfen und besseres Verständnis über das Fluidverhalten
zu erlangen. Sobald das Mischen stattgefunden hat, kann die Reaktionszeit aus dem Abstand
vom Misch-Punkt und dem Ort der Messung ermittelt werden. Daraus folgt, dass die
erzielbare Zeitauflösung von der Distanz zweier benachbarter Meßpunkte, wie auch von der
einsetzbaren Flußgeschwindigkeit abhängig ist. Zwar ist das Erhöhen der Flußrate in der
Praxis begrenzt zum Beispiel durch Undichtheit aufgrund zu hoher Drücke, jedoch kann der
Meßfleck durch den Einsatz von IR Mikroskopen stark verkleinert werden. Ein
konventionelles mit einem Globar ausgestattetes IR Mikroskop ermöglicht Meßfleckgrößen
von ungefähr 50 μm im Durchmesser für den Einsatz am wassergefüllten Kanal des
Mikromischers. Wird der Globar durch Synchrotron IR Licht ersetzt, kann die Meßfleckgröße
bis auf 15 x 15 μm reduziert werden. Eine weitere instrumentelle Neuheit auf dem Gebiet der
IR Mikroskopie stellt die Detektion mittels eines Focal Plane Array (FPA) Detektors dar, der
die simultane Aufnahme von Tausenden Spektren ermöglicht. Dessen Anwendung für
zeitaufgelöste Messungen an einem durchströmten Kanal werden gezeigt.
Experimentelle Ergebnisse von Testreaktionen und von einem biochemischen System
- der Reaktion des Glykopeptid-Antibiotikums Vancomycin mit einem Zellwand-
Vorstufenpeptid von gram-positiven Bakterien - werden diskutiert.
II
Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist der Einsatz von neuen Instrumenten im sehr
fernen Infrarot (FIR)- bzw. terahertz(THz)-Bereich von 1 - 100 cm-1 zur Untersuchung von
wäßrigen Lösungen, die als Grundlage dienen für zukünftige Experimenten von Proteinen in
Lösung. Dazu wurden Spektren von Wasser und von Salz- und Zuckerlösungen in einer
Durchflußzelle in einem gepulsten THz-Instrument sowie einem IR Instrument mit
eingekoppelter Synchrotron FIR Strahlung aufgenommen. Ein konzentrationsabhängiger
Anstieg der Absorptionsintensität gegenüber Wasser im untersuchten THz-Bereich ist für
Lösungen mit chaotropen Salzen festzustellen, sowie ein Sinken für Lösungen von
Kosmotropen.