Photon-Echo-Spektroskopie zur Dynamik der Solvatation in Wasser und an Lipidmembran-Wasser-Grenzschichten

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Mechanismen zur utraschnellen Solvatation an wässrigen Grenzschichten von synthetischen Phospholipid-Membranen. Als Technik, die in solchen Systemen erstmalig zum Einsatz kommt, dient die Photon-Echo-Spektroskopie. Ein Indocarbocyanin-Farbstoff, der nicht-kovalent in der Phospholipid-Membran verankert ist und dessen optischer Chromophor an der Grenzschicht Wasser/Lipid lokalisiert ist, wird als Sonde für die dynamische Solvatation verwendet. Komplementäre Untersuchungen in wässrigen Volumenphasen erlauben die eindeutige Identifizierung von grenzschicht-spezifischen Phänomenen. Die Dynamik der Solvatation in wässrigen Volumenphasen erfolgt im wesentlichen auf zwei Zeitskalen. Unterhalb von 1 ps dominert die Relaxation auf Grund gehinderter Translationsmoden, während oberhalb 1 ps diffuse Reorientierungsdynamik der Wassermoleküle überwiegt. An der Grenzschicht der Phospholipid-Membran wird dagegen die Solvatationskomponente unterhalb 1 ps vollständig unterdrückt. Ein Vergleich zeigt, dass das Wasserstoffbrückennetzwerk an der Grenzschicht aufgebrochen ist. Begleitende temperaturabhängige Studien zur dynamischen Solvatation ermöglichen den komplexen Polymorphismus synthetischer Membranen erstmalig mit ultraschnellen Strukturrelaxationen an deren Grenzschichten in Verbindung zu bringen. Die Ergebnisse sind konsistent mit einer strukturellen Reorientierung der Kopfgruppen am Vorphasenübergang. Dies steht im Einklang mit einer Dehydratisierung der Kopfgruppen beim Übergang von zackig-gelförmiger zur gelförmigen Phase.