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Diagramme, Illustrationen

Diese Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von Proteinen auf das Wassernetzwerk. Im ersten Teil der Arbeit wird die Phasenseparierung des Proteins \(\textit {fused in sarcoma}\) (FUS) untersucht, wobei ein spektraler Fingerabdruck im Terahertzbereich identifiziert und mit Hilfe von Modellsystemen erkl��rt wird. In einer Kollaboration wird zus��tzlich konfokale Mikroskopie angewendet, um das Phasenverhalten der verwendeten Proben zu charakterisieren. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Aufreinigung und biochemische Charakterisierung der katalytischen Dom��ne des Proteins Matrix-Metalloprotease 9. Zudem werden Ergebnisse von Molekulardynamiksimulationen und Terahertzabsorptionsmessungen verschiedener Matrix-Metalloproteasen dargestellt und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Ver��nderungen auf der Proteinoberfl��che direkt auf das Wassernetzwerk auswirken.

Diagramme

In der vorliegenden Arbeit wurden künstliche tiefe neuronale Netzwerke zur Prozessierung spektroskopischer Daten in der medizinischen Diagnostik untersucht. Eine zentrale Eigenschaft von Klassifikatoren im diagnostischen Kontext ist die Fähigkeit zu generalisieren: Wie verhält sich die Genauigkeit des Klassifikators, wenn einzelne Parameter der Probenaufnahme variiert werden. Während Parameter von Probenaufnahmen innerhalb einer klinischen Studie möglichst wenig variiert werden, sind Variationen außerhalb solcher Studien unvermeidbar und begrenzt kontrollierbar. Untersucht wurden zu diesem Thema Daten der Attenuated total reflection FTIR-Spektroskopie von humanen Flüssigbiopsien, zur Erstellung von Morbus Alzheimer Diagnosen auf der Grundlage von Blutproben. Weiterhin untersucht wurden Gewebeproben aus dem FTIR-Imaging zur Krebs-Diagnose. In beiden Anwendungsgebieten konnte der Goldstandard verbessert werden, oder eine generalisierende Klassifikation zum ersten Mal erfolgen., Topic of the present thesis are, artificial deep neural networks for processing spectroscopic data in medical diagnostics. A central property of classifiers in the diagnostic context is their ability to generalize: How does the accuracy of the classifier behave when individual parameters of the sample intake are varied. While sample parameters are varied as little as possible within a clinical study, variations outside such studies are unavoidable and can be controlled to a limited extent. These algorithms were examined on the basis of data from Attenuated total reflection FTIR spectroscopy of human Liquid biopsies, for making a diagnosis of Alzheimer's disease on the basis of blood samples. Further, on tissue samples from FTIR-based imaging for cancer diagnosis, which were also examined. In both applications, the gold standard could be improved or a generalizing classification could be performed for the first time.

The durability of metal-based constructions, especially those containing reinforced concrete, is mainly limited by corrosion processes. Diamond-like carbon (DLC)-coated silicon (Si) wafers provide a chemically inert and mechanically robust sensing interface for application in aggressive environments. In this study, iron-sensitive dyes, i.e., 2,3-dihydroxypyridine (DHP) and 1,2-dihydroxybenzol (DHB), were coated onto DLC-modified Si wafers for evaluating the potential of detecting corrosion processes via evanescent field absorption spectroscopy using Fourier-transform infrared spectroscopy. The obtained IR spectra reveal discernible changes of the dye layer after exposure to iron solutions, which indicates that indeed corrosion processes may be studied at molecular level detail., publishedVersion

This cumulative thesis is based on five peer-reviewed publications and one conference contribution/proceedings. Three of the manuscripts discuss in-situ infrared spectroscopic studies on gas hydrates, while two additional publications address IR-ATR sensing of dissolved ions and ion pairs in synthetic salt solutions and in real seawater. Finally, one publication covers the infrared spectroscopic detection of perfluorinated tracer molecules for potential usage during subsurface storage of carbon dioxide. Therefore, various attenuated total reflection mid-infrared spectroscopic (IR-ATR spectroscopy) sensing methods were developed to enable measurements at extreme conditions in aqueous environments, i.e. at high-pressure conditions or at high saline concentrations. IR-ATR spectroscopy is a powerful tool for the detection of molecular changes that occur in materials and molecules (i.e. phase transitions, adsorption, etc.). Each molecule shows individual infrared absorption patterns, which – next to its molecular identity - also give information on its physical condition. Fiber optic MIR ATR spectroscopy is a robust and reliable spectroscopic sensing technique that may not only be miniaturized but enables in-situ measurements even at conditions that are occurring, e.g. in the deep sea and in other geologically relevant environments.

Raney-Nickel ist einer der am meisten verwendeten Katalysatoren in der industriellen Praxis für die Umwandlung von biogenen Molekülen. Der Einfluss verschiedener Alkohole auf die katalytische Aktivität von Raney-Nickel bei der Hydrierung von Phenol zu Cyclohexanol wurde untersucht und die Hemmung des Katalysators nimmt von sekundären Alkoholen über primäre Alkohole zu Polyolen ab. In-situ ATR-IR-Spektroskopie zeigte, dass 2-PrOH an mindestens zwei chemisch verschiedenen Stellen auf der Oberfläche von Raney-Nickel adsorbiert. Die Bevorzugung der Hydrierung des aromatischen Ringes gegenüber der Abspaltung der Methoxyfunktion könnte mit der relativen Schwächung der durch ATR-IR gemessenen aromatischen Ringschwingungen zusammenhängen. Diese Beobachtung wurde durch NMR-Messungen unterstützt, die feststellen konnten, dass die ortho-Position des aromatischen Ringes 1H mit 2H schneller als die meta- und para-Positionen austauscht.

In this study, ion pairs in aqueous solution were quantitatively and simultaneously determined via infrared attenuated total reflection (IR-ATR) spectroscopy. Seven salts that are occurring in natural seawater, i.e., NaCl, KCl, NaBr, KBr, MgCl2, CaCl2, and Na2SO4 were investigated. Multivariate data analysis was used to discriminate and assign the spectral information arising from each salt in calibration mixtures, each containing a mixture of all constituents in different concentrations. The algorithm was able to discriminate between NaCl/KCl, NaBr/KBr, MgCl2, CaCl2, and Na2SO4 with sodium and potassium chloride, and bromide being treated as sum parameters, respectively. An additional multivariate model was able to distinguish between NaCl, KCl, NaBr, and KBr including their simultaneous quantification. Finally, a sample of real seawater was analyzed, with the established model. MgCl2 could be corretly quantified predicted at 0.5 ± 0.05 % (w/v) in this sample, whilst the other ions obviously demand for a more precise and complex calibration model, which is more similar to real seawater, publishedVersion

In this study, monoatomic and thus IR-inactive ions were determined via infrared attenuated total reflection (IR-ATR) spectroscopy including Cl−, Na+, Mg2+, Ca2+, K+ and Br−, next to the IR-active ion [Formula: see text]. The determination of IR-inactive ions is enabled, as each ion influences the infrared spectrum of bulk water by organizing the water molecules within the solvation shell around the ionic species in a unique way. Furthermore, the influence of temperature was taken into account for the potential application of this analytical technique in real-world scenarios. Using chemometric data analysis, seven ions could be discriminated at temperatures ranging between 3 ℃ and 45 ℃. Finally, within a sample of seawater, Cl−, Na+, Mg2+ and [Formula: see text] could be simultaneously quantified, while the concentrations of Ca2+, K+ and Br− remained below the achievable limits of detection.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Synthese und Charakterisierung eines thermisch-kontrollierten und eines photochemisch-kontrollierten reversiblen Polymersystems vorgestellt. Weiterhin werden Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen mit Amino-, Isocyanat-, Furan-, Maleimid- und Cumarin-Gruppen funktionalisiert. Hierbei werden sowohl bekannte als auch neuartige Wege der Oberflächenmodifizierung vergleichend untersucht und bewertet. Ausgehend von den hergestellten Cumarin-funktionalisierten Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen wird eine Anbindung des synthetisierten photochemisch-kontrollierten reversiblen Polymersystems an diese Oberflächen untersucht. Des Weiteren wird die Anbindung des synthetisierten thermisch kontrollierten reversiblen Polymersystems sowohl an den hergestellten Maleimid- als auch an den Furan-funktionalisierten Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen analysiert. Basierend auf den vorgestellten Cumarin-Funktionalisierungen werden photoaktive Oberflächen beschrieben und mittels ATR-IR-spektroskopischer und UV/Vis-spektroskopischer Methoden analysiert.:Inhaltsverzeichnis 6 Abkürzungsverzeichnis 10 Kapitel I Einleitung und Zielstellung 13 I.I Poly(dimethyl)siloxan 13 I.II Funktionalisierung von Oberflächen 15 I.III Reversible Polymere an Oberflächen 18 I.IV Photoaktive Oberflächen 20 Kapitel II Sauerstoffplasma-Modifizierung 21 II.I Vorbetrachtung 21 II.I. a) Plasmen – Definition und Charakterisierung 21 II.I. b) Technisch angewandte Plasmaprozesse 24 II.II Hintergrund und Motivation Sauerstoffplasma-modifizierter PDMS-Oberflächen 27 II.II. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung von Sauerstoffplasma-modifizierten PDMS-Oberflächen 28 II.II. b) Rasterkraftmikroskopische Charakterisierung von Sauerstoffplasma-modifizierten PDMS-Oberflächen 34 II.II. c) Untersuchungen zum Quellverhalten von PDMS 35 II.III Zusammenfassung 38 II.IV Experimenteller Teil 39 II.IV. a) Herstellung von Substraten aus Poly(dimethyl)siloxan 39 II.IV. b) Sauerstoffplasma-Modifikation von Poly(dimethyl)siloxan 39 Kapitel III Amino-funktionalisierte Oberflächen 40 III.I Hintergrund und Motivation Amino-funktionalisierter Oberflächen 40 III.I. a) Amino-Funktionalisierung mittels 3 Aminopropyltriethoxysilan (APTES) 41 III.I. b) Amino-Funktionalisierung nach Balachander & Sukenik 43 III.I. c) Amino-Funktionalisierung mittels Phenylendiisocyanat (PDI) 45 III.II Kontaktwinkelanalyse von unterschiedlichen Amino-Beschichtungen 48 III.III Zusammenfassung 49 III.IV Experimenteller Teil 50 III.IV. a) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels APTES 50 III.IV. b) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten nach Balachander & Sukenik 50 III.IV. c) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels PDI 51 Kapitel IV Maleimid-funktionalisierte Oberflächen 52 IV.I Hintergrund und Motivation Maleimid-funktionalisierter Oberflächen 52 IV.II Synthese Maleimid-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 53 IV.II. a) Syntheseroute via Maleinsäureanhydrid (MSA-Route) 53 IV.II. b) Trichlorosilyl-funktionalisierte Maleimid-Derivate 56 IV.III Experimenteller Teil 59 IV.III. a) Synthese eines furangeschützten Maleimids 59 IV.III. b) Synthese eines furangeschützten Undec-10-enyl-1-maleimids (13) 59 IV.III. c) Synthese eines furangeschützten 11-Trichlorosilyl-undecyl-1-maleimids (14) 60 IV.III. d) Maleimid-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels MSA 61 IV.III. e) Maleimid-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels trichlorosilyl-funktionalisierter Maleimid-Derivate 62 Kapitel V Furan-funktionalisierte Oberflächen 63 V.I Hintergrund und Motivation Furan-funktionalisierter Oberflächen 63 V.II Herstellung Furan-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 65 V.II. a) Trichlorosilyl-funktionalisierte Furan-Derivate an Hydroxyl-Oberflächen 65 V.II. b) Furfural an Amino-Oberflächen 67 V.II. c) Furfurylalkohol an Isocyanat-Oberflächen 69 V.III Zusammenfassung 71 V.IV Experimenteller Teil 72 V.IV. a) Synthese von Undec-10-enyl-furan-2-carboxylat (15) vgl. 72 V.IV. b) Synthese von 11-(Trichlorosilyl)undecyl- furan-2-carboxylat (16) vgl. 72 V.IV. c) Furan-Funktionalisierung mittels 11 (Trichlorosilyl)undecyl furan 2 carboxylat (16) 73 V.IV. d) Furan-Funktionalisierung mittels Furfural nach 74 V.IV. e) Furan-Funktionalisierung mittels Furfurylalkohol vgl. 74 Kapitel VI Reversible Polymere 75 VI.I Hintergrund und Motivation reversibler Polymere 75 VI.II Thermisch-kontrollierte reversible Polymerisation (DIELS-ALDER-Reaktion) 77 VI.II. a) Hintergrund thermisch-kontrollierter reversibler Polymerisationen 77 VI.II. b) DIELS-ALDER-AB-Monomer mit flexiblem Spacer 80 VI.II. c) Charakterisierung der thermisch-kontrollierten Polymerisation 83 VI.III Zusammenfassung 96 VI.IV Photochemisch-kontrollierte reversible Polymerisation 97 VI.IV. a) Hintergrund photochemisch-kontrollierter reversibler Polymerisationen 97 VI.IV. b) Synthese geeigneter Biscumarine 101 VI.V Experimenteller Teil 108 VI.V. a) Thermisch-kontrollierte reversible Polymerisationen 108 VI.V. b) Photochemisch-kontrollierte reversible Polymerisationen 114 Kapitel VII Reversible Polymere an Oberflächen 117 VII.I Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Maleimid- und Furan-Oberflächen 117 VII.I. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung 119 VII.II Zusammenfassung 121 VII.III Anbinden von Biscumarinen an Cumarin-Oberflächen 122 VII.III. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung 123 VII.IV Zusammenfassung 125 VII.V Experimenteller Teil 126 VII.V. a) Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Maleimid-Oberflächen 126 VII.V. b) Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Furan-Oberflächen 126 VII.V. c) Anbinden von Biscumarin an Cumarin-Oberflächen 126 Kapitel VIII Photoaktive Oberflächen 127 VIII.I Hintergrund und Motivation Cumarin-funktionalisierter Oberflächen 127 VIII.II Synthese Cumarin-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 129 VIII.II. a) Funktionalisierung von PDMS-Oberflächen mit Cumarin-Gruppen 129 VIII.II. b) Allgemeine Bemerkung zur Wahl des Lösungsmittels 130 VIII.II. c) Photochemie von Cumarin-funktionalisierten PDMS-Oberflächen 131 VIII.II. d) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung photoaktiver Cumarin-Beschichtungen 132 VIII.III UV/Vis-spektroskopische Charakterisierung photoaktiver Cumarin-Beschichtungen 137 VIII.III. a) Belichtung mit UVA-Strahlung 137 VIII.III. b) Belichtung mit UVC-Strahlung 140 VIII.IV Zusammenfassung 142 VIII.V Experimenteller Teil 144 VIII.V. a) Funktionalisierung von PDMS-Substraten mit Isocyanat 144 VIII.V. b) Funktionalisierung von PDMS-Substraten mit Cumarin 144 VIII.V. c) Photochemisch-kontrollierte Modifikation von PDMS-Substraten mit Cumarin-Beschichtung 144 Kapitel IX Zusammenfassung und Ausblick 145 Kapitel X Anhang 150 X.I Messmethoden 150 X.I. a) ATR-IR-Spektroskopie 150 X.I. b) UV/Vis-Spektroskopie 150 X.I. c) Kontaktwinkelanalyse 151 X.I. d) Rasterkraftmikroskopie (AFM) 151 X.I. e) NMR-Spektroskopie 152 X.I. f) Größenausschluss-Chromatographie (SEC) 152 X.I. g) Thermoanalyse (TA) 152 X.I. h) Thermogravimetrie (TGA) 153 X.I. i) Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 153 X.II Trocknen von Lösungsmitteln , 153 Kapitel XI Literatur 154 Selbstständigkeitserklärung 161 Lebenslauf 162 Danksagung 163

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von alternativen Katalysatoren für die Methanolsynthese. Dieses wird durch die Nutzung der Vorteile der Nanokatalyse, speziell durch die Synthese von Kupfer (Cu) enthaltenden Kolloiden, ermöglicht. Zusätzlich soll ein tieferer Einblick in den Reaktionsmechanismus der Methanolsynthese und die Tuning-Möglichkeiten der Präparation von Kolloiden erhalten werden. Die Haupttechniken, welche in dieser Arbeit genutzt werden, sind katalytische Tests und Infrarotspektroskopie in abgeschwächter Totalreflektion (ATR-FTIR). Die katalytischen Tests werden in einen kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor (CSTR) durchgeführt, um Informationen über die Aktivität der präparierten Kolloide und die Eigenschaften der Kolloide in der Katalyse zu erhalten. ATR-FTIR Spektroskopie wird genutzt, um einen tieferen Einblick in den elektronischen Zustand des Cu in den Kolloiden und die dynamischen Prozesse unter den Bedingungen der Methanolsynthese zu erhalten. This work deals with the field of catalysis. The main topic is the investigation of alternative catalysts for the methanol synthesis. This is performed by using the advantages of nanocatalysis, particularly by the synthesis of copper (Cu) containing colloids. Additionally, a deeper insight in the reaction mechanism of the methanol synthesis and the tuning possibilities in the preparation of colloids are in the scope of this work. The main tools used in this work are catalytic testing and attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FTIR). The catalytic tests are performed in a continuously operated stirred tank reactor (CSTR) to get information about the performance of the prepared colloids and about the characteristics of the colloids in catalysis. ATR-FTIR spectroscopy is used to get a deeper insight into the state of the Cu in the colloids and the dynamic processes occurring under the conditions applied in methanol synthesis.

Die Funktion von Membranproteinen ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Um diese verstehen zu können, ist das Verständnis der Beziehungen zwischen der Struktur, der Dynamik und der Wechselwirkung mit der Umgebung der Membranproteine notwendig. Spektroskopische Methoden, wie beispielsweise FTIR- und CD-Spektroskopie sind in der Lage, diese Informationen zu geben. In der vorliegenden Dissertation haben sie bedeutende Beiträge zum Verständnis der durch die Aktivierung induzierten Konformationsänderungen der Na+/H+ Antiporter geleistet. Die hohe Empfindlichkeit einer selbstkonstruierten FTIR-ATR-Perfusionszelle ermöglichte es, über eine Proteinprobe verschiedene Wirkstoffmoleküle perfundieren zu lassen und die dadurch verursachten strukturellen Änderungen spektroskopisch zu charakterisieren. Die Konformationsänderungen, die den Aktivierungsprozess begleiten, wurden bei zwei verschiedenen Na+/H+ Antiportern, NhaA und MjNhaP1, untersucht. Sie werden bei unterschiedlichen pH-Bereichen aktiviert bzw. deaktiviert. Der Na+/H+ Antiporter NhaA aus E. coli hat seine maximale Transportaktivität bei pH 8,5 und ist bei pH < 6,5 vollständig inaktiv. Trotz bekannter 3D-Struktur dieses Proteins für die inaktive Konformation bei pH 4 bleiben die Konformationsänderungen, die mit der Aktivierung des Proteins einhergehen, immer noch ungeklärt. Die Analyse der FTIR- und CD-Spektren von NhaA ergab in beiden Zuständen Anteile an beta-Faltblatt, an Schleifen und ungeordneten Strukturen, wobei die alpha-helikale Struktur dominiert. Die FTIR Spektren des inaktiven und aktiven Zustands zeigen zwei Komponenten, die auf die Präsenz zweier alpha-Helices mit unterschiedlichen Eigenschaften abhängig vom Aktivitätszustand hindeuteten. Die temperaturinduzierten strukturellen Änderungen und die Reorganisation des Proteins während des Entfaltungsprozesses bestätigten, dass die Aktivierung des Proteins eine Änderung in den Eigenschaften der alpha-Helices zur Folge hat. Aktivierung führt zu einer thermischen Destabilisierung dieser Struktur. Auch für die beta-Faltblattstruktur, welche den Hauptkontakt zwischen den Monomeren bildet, wurde ein unterschiedliches thermisches Verhalten zwischen dem inaktiven und aktiven Zustand beobachtet. Daraus konnte gefolgert werden, dass Aktivität nur dann möglich ist, wenn NhaA als Dimer vorliegt. Die Ergebnisse des (1)H/(2)H Austauschs zeigen, dass die Lösungsmittelzugänglichkeit des Proteins sich mit der Aktivierung ändert. Die Aktivierung des Proteins induziert eine offene, für die Lösung zugänglichere Konformation, in welcher die Aminosäureseitenketten in der hydrophilen Region des Proteins schneller Wasserstoff durch Deuterium austauschen, und in welcher zusätzliche Aminosäureseitenketten, die sich im inaktiven Zustand in der hydrophoben Region des Proteins befinden, mit der Aktivierung der Lösung exponiert werden. Die Aufnahme reaktionsinduzierter Differenzspektren ergab eindeutige spektroskopische Signaturen für die Zustände „inaktiv“ und „aktiv“. Die Differenzspektren der pH-Titration zeigten, dass der pH-Wert einen dramatischen Effekt sowohl auf die Sekundärstruktur als auch auf den Protonierungszustand der Aminosäureseitenketten hat. Die pH- und Na+-induzierte Aktivierung des Proteins führt zur Umwandlung der transmembranen alpha-helikalen Struktur bezüglich Länge, Ordnungsgrad und/oder Anordnung und zur einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Glutaminsäure oder Asparaginsäure. Die pD induzierten Sekundärstrukturänderungen lieferten zusätzlich Informationen über die Umgebungsänderung der Aminosäureseitenkette des Tyrosins mit der Aktivierung. Der Vergleich der durch die Bindung des Natriums und des Inhibitors induzierten Differenzspektren zeigte, dass die Bindungsstellen des Natriums und des Inhibitors unterschiedlich sind. Die FTIR- und CD-Ergebnisse für den Na+/H+ Antiporter MjNhaP1 aus M. jannaschii, der im Gegensatz zu NhaA bei pH 6 aktiv und bei pH Werten > 8 inaktiv ist, zeigten, dass ähnlich wie NhaA das Protein im aktiven Zustand bei pH 6 hauptsächlich aus alpha-Helices aufgebaut ist. Es bestand die Möglichkeit, zwei verschiedene Probenpräparationen (Protein in Detergenz bzw. in 2D-Kristallen) zu untersuchen und miteinander zu vergleichen. Die Erhöhung des pH-Werts bei der in Detergenz solubilisierten Probe führte zu einer Abnahme der alpha-helikalen und einer Zunahme der ungeordneten Strukturen. Das äußerte sich auch in den Untersuchungen zur thermischen Stabilität und im (1)H/(2)H Austauschexperiment. Die thermische Stabilität der alpha-Helices nahm mit der Inaktivierung dramatisch ab. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass bei der Aktivierung von MjNhaP1 die beta-Faltblattstruktur nicht involviert ist, aber diese von fundamentaler Bedeutung für die Gesamtstabilität des Proteins und wahrscheinlich für den Hauptkontakt zwischen den Monomeren verantwortlich ist. Im Gegensatz zu NhaA ist die Monomer Monomer Wechselwirkung nicht für die Aktivität von MjNhaP1 notwendig. Aufgrund des höheren Anteils von ungeordneter Struktur im inaktiven Zustand der in Detergenz solubilisierten Probe beobachtet man in diesem Zustand einen höheren (1)H/(2)H Austausch. Der Vergleich mit den Ergebnissen des (1)H/(2)H Austausches von 2D-Kristallen ermöglichte die Lokalisation der ungeordneten Struktur an der Außenseite des Proteinmoleküls im inaktiven Zustand. Die pH-induzierten Differenzspektren zeigten, dass die Aktivierung zu einer Helikalisierung des Proteins und einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Asparaginsäure und/oder Glutaminsäure unabhängig von der Probenpräparation führt. Der Vergleich von NhaA und MjNhaP1 zeigt, dass die Aktivierung in beiden Fällen mit einer Konformationsänderung und Änderung der Protonierung oder der Umgebung von einer oder mehreren Seitenketten von Asparaginsäure oder Glutaminsäure verbunden ist. Dabei sind die Strukturänderungen der beiden Proteine während der Aktivierung ähnlich, bei Inaktivierung jedoch deutlich unterscheidbar. Die pH-induzierten Strukturänderungen wurden bei NhaA und MjNhaP1 durch die Mutanten G338S und R347A, die keine pH-Abhängigkeit der Aktivität zeigen, bestätigt. The function of membrane proteins is crucial for many cellular processes. Understanding the function of a protein requires information about its structure, dynamics and interaction with the environment. Spectroscopic techniques like FTIR- and CD-spectroscopy are widely used to get such information. In the present dissertation these methods provide detailed insights about conformational changes of Na+/H+ antiporters. The use of a novel FTIR-ATR-perfusion-cell to record reaction-induced FTIR-difference spectra enabled us to detect even small changes in secondary structure and dynamics of the protein caused by changes of pH and binding of effector molecules. The conformational changes accompanying the activation of the protein were studied for two different Na+/H+ antiporters, i.e., NhaA and MjNhaP1. These two proteins are active in Na+ and H+ transport in different pH ranges. Na+/H+ antiporter NhaA from E. coli has the highest transport activity at pH 8.5 and is completely inactive below pH 6.5. The structure of NhaA is known for the inactive state at pH 4, however, the conformational changes upon activation and the structure of active state are not yet known. FTIR- and CD-spectra analysis revealed that protein secondary structure is composed mainly of alpha-helical structure, but also of some beta-sheet, loops and unordered structures. The FTIR-spectra of inactive and active state showed two spectral components, which indicate the presence of alpha-helices with different properties. The temperature-induced structural changes and reorganisation of the protein during the unfolding process demonstrate that activation of the protein causes a change in the properties of alpha-helices. Thermal stability of this structure decreases with activation. The structure of beta-sheet, which is responsible for the main contact between monomers, shows different thermal behaviour for the inactive and the active state. While the temperature profiles for alpha-helices and β-sheet structure are the same in the active state, they differ in the inactive state. Hence we could conclude that activity of NhaA is associated with the existence of NhaA as a dimer. Protein dynamics and flexibility in the inactive and the active state were analyzed by probing water and H+ accessibility by 1H/2H exchange experiments. In the hydrophilic region of the protein, the amino acid side chains exchange faster in the active state than in the inactive state as a result of the conformational change concomitant with activation. In the transmembrane region, activation also leads to conformational changes resulting in an open conformation which is more accessible for the solution. The recording of reaction induced difference spectra yielded unique spectroscopic signatures for the “inactive” and “active” states. The difference spectra of pH-titration showed that the pH value has a dramatic effect on the secondary structure as well as on the protonation state of the amino acid side chains. The pH- and Na+-induced activation of the protein leads to structural rearrangement of transmembrane alpha-helices in terms of length, order and/or orientation accompanied by changes in protonation state of glutamic- and/or aspartic acid side chains. pD induced secondary structure changes gave additional information about changes in the environment of tyrosine side chain with activation. Comparison of difference spectra induced by binding of sodium and an inhibitor of transport indicated different binding sites. MjNhaP1 a Na+/H+ antiporter from M. Jannaschii, in contrast to NhaA, is active at pH 6 and inactive at pH 8. Similar to NhaA, the analysis of FTIR- and CD-spectra showed that the secondary structure of MjNhaP1 in the active state is mainly formed by alpha-helices. In this case it was possible to investigate and compare the results of two different sample preparations (detergent and 2D crystals). Increasing the pH-value of detergent-solubilised protein caused a decrease in alpha-helical content and increase in unordered structure content in the secondary structure. The study of thermal stability and water accessibility supported these results. Thermal profiles indicated a dramatic decrease in stability of alpha-helical structure with inactivation of the protein. These results showed also that beta-sheet part of the secondary structure is not involved in activation of the protein, but nevertheless is crucial for its overall structural stability. In analogy to NhaA, the β sheet structure probably forms the main contact between monomers, but in contrast to NhaA the monomer-monomer interaction is not essential for its activity. The inactive state of the detergent-solubilised protein, having a higher fraction of unordered structure, resulted in higher 1H/2H exchange than the active state. Comparing this with the results of 2D crystals allowed the localisation of unordered structure in the inactive state to be on the outside regions of the protein molecule. pH-induced difference spectra showed that activation is accompanied by helicalisation of the protein as well as by protonation of glutamic- and/or aspartic acid side chains, and is independent of sample preparation. The results of NhaA and MjNhaP1 demonstrated that in both cases the activation is associated with conformational and protonation changes of amino acids. The secondary structure changes of both proteins are similar during activation, but clearly distinguishable for inactivation. The observed pH-induced structural changes of NhaA and MjNhaP1 are proven with the mutants G338S and R347A, which do not show pH-dependent activity. The difference spectra of the mutants help to assign IR bands due to activation of the protein.

Die Adsorption von Wasserstoff auf Indiumphosphid (100)-Oberflächen wurde mittels Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie im UHV untersucht. Die gemessenen Schwingungsabsorptionsbanden der MOCVD-präparierten phosphorreich geordneten Oberfläche konnten die über DFT-Rechnungen von Schmidt et al. postulierten zwei P-H Bindungen der zugehörigen Oberflächeneinheitszelle bestätigen. Die gemessenen FTIR-Spektren der P-H Bindungen nach moderatem Angebot von atomarem H motivierten eine neue Suche nach weiteren Oberflächenrekonstruktionen. Entsprechende DFT-Rechnungen von Hahn und Schmidt ergaben daraufhin neue thermodynamisch stabile Rekonstruktionen. Die FTIR-Spektren wurden analysiert unter Anwendung des 3-Lagen-Models und der mikroskopischen Theorie der Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den adsorbierten H-Atomen. Die Experimente dieser Arbeit zeigen auch, dass bei der MOCVD-Präparation der P-reich geordneten Oberfläche kein signifikantes Angebot von atomarem Wasserstoff vorliegt. The adsorption of hydrogen on indium phosphide (100)-surfaces was investigated with Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy in UHV. In particular, the vibrational absorption bands of the MOCVD-prepared phosphorus-rich ordered surface - where according to DFT calculations by Schmidt et al. the surface unit cell contains two P-H bonds - were investigated with FTIR spectroscopy and the postulated P-H bonds were confirmed. The measured FTIR spectra of P-H bonds formed upon exposure to atomic hydrogen motivated a new search for additional surface reconstructions. Indeed, corresponding DFT calculations by Hahn and Schmidt confirmed new structures as thermodynamic stable. The FTIR spectra of P-H bonds were analysed by applying the macroscopic three-layer model and the microscopic theory for dipole-dipole interaction.

Diamond has excellent optical properties including broadband transmissivity, low self-absorption, and a high refractive index, which have prompted its use for optical sensing applications. Thin- film diamond strip waveguides (DSWGs) combined with tunable quantum cascade lasers (tQCLs) providing an emission wave- length range of 5.78–6.35 mm (1735–1570 cm"1) have been used to obtain mid-infrared (MIR) spectra of proteins, thereby enabling the analysis of their secondary structure via the amide I band. Three different proteins were analyzed, namely bovine serum albumin (BSA), myoglobin, and g-globulin. The secondary structure of BSA and myoglobin has a major contribution of a-helices, whereas g-globulins are rich in b-sheet structures, which is reflected in the amide I band. A comparison of the spectra obtained via the combination of the tQCL and DSWG with spectra obtained using conventional Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a commercial diamond attenuated total reflection (ATR) element has been performed. It is shown that the main features evident in FTIR-ATR spectra are also obtained using tQCL-DSWG sensors., acceptedVersion

Diamond has excellent optical properties including broadband transmissivity, low self- absorption and a high refractive index, which have prompted its use in for optical sensing applications. Thin-film diamond strip waveguides (DSWGs) combined with tunable quantum cascade lasers (tQCLs) providing an emission wavelength range of 5.78-6.35 μm (1735-1570 cm-1) have been used to obtain mid-infrared (MIR) spectra of proteins, thereby enabling the analysis of their secondary structure via the amide I band. Three different proteins were analyzed, namely bovine serum albumin (BSA), myoglobin, and γ-globulin. The secondary structure of BSA and myoglobin has a major contribution of -helices, whereas γ-globulins are rich in β-sheet structures, which is reflected in the amide I band. A comparison of the spectra obtained via the combination of the tQCL and DSWG with spectra obtained using conventional Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a commercial diamond attenuated total reflection (ATR) element has been performed. It is shown that the main features evident in FTIR-ATR spectra are also obtained using tQCL-DSWG sensors., submittedVersion

In this study, monoatomic and thus IR-inactive ions were determined via infrared attenuated total reflection (IR-ATR) spectroscopy including Cl(-), Na(+), Mg(2+), Ca(2+), K(+) and Br(-), next to the IR-active ion [Formula: see text] The determination of IR-inactive ions is enabled, as each ion influences the infrared spectrum of bulk water by organizing the water molecules within the solvation shell around the ionic species in a unique way. Furthermore, the influence of temperature was taken into account for the potential application of this analytical technique in real-world scenarios. Using chemometric data analysis, seven ions could be discriminated at temperatures ranging between 3 ℃ and 45 ℃. Finally, within a sample of seawater, Cl(-), Na(+), Mg(2+) and [Formula: see text] could be simultaneously quantified, while the concentrations of Ca(2+), K(+) and Br(-) remained below the achievable limits of detection., acceptedVersion