Solvatationsdynamik an biologischen Grenzschichten

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Solvatationsdynamik an ausgewählten Grenzschichten zweier biologischer Modellsysteme. Als ein Modell für biologische Membranen dient eine synthetische Phospholipidmembran/Wasser-Grenzschicht. Zur Bestimmung der Solvatationsdynamik in solchen Umgebungen wird der zeitabhängige Fluoreszenz Stokes-Shift der Farbstoffsonde Laurdan herangezogen. Mit der experimentellen Technik des zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens (TCSPC) werden die strukturellen Relaxationen auf einer Nanosekunden-Zeitskala charakterisiert. Durch einen Vergleich mit zeitaufgelösten Anisotropiemessungen wird gezeigt, daß die Solvatation auf dieser Zeitskala vorrangig durch diffusive Bewegungen des Chromophors in der eingeschränkten Lipidmembranumgebung bestimmt ist. Im Rahmen der Arbeit wurde zur Untersuchung der ultraschnellen Zeitkomponenten ein Fluoreszenzkonversionsexperiment aufgebaut, welches Untersuchungen bis in den sub-Pikosekundenbereich ermöglicht. Es zeigt sich, daß auf diesen Zeitskalen ultraschnelle Komponenten eine Rolle spielen, die vermutlich der Solvatation durch Wassermoleküle im Bereich der Lipidkopfgruppen zuzuordnen sind. Dabei ist die Dynamik im Vergleich zu reinem Wasser jedoch signifikant verlangsamt. Als zweites Modellsystem werden in dieser Arbeit inverse Mizellen betrachtet. Sie eignen sich hervorragend zum systematischen Studium eingeschränkter Wasserumgebungen, da sich der Grad der Einschränkung über die Größe des in diesen inversen Mizellen eingeschlossenen Wassernanotröpfchens variieren läßt. Die Solvatationsdynamik wird dabei mittels eines selektiv im Wassereinschluß der inversen Mizellen gelösten Indocarbocyanin-Farbstoffes bestimmt. Als experimentelle Technik kommt in diesen Systemen erstmals die Photon-Echo-Spektroskopie zum Einsatz, die die Bestimmung ultraschneller Zeitkomponenten auf einer Femtosekunden-Zeitskala ermöglicht. Um die in den Wassernanotröpfchen auftretenden Dynamiken einordnen zu können, werden komplementäre Untersuchungen desselben Chromophors in der reinen Wasserphase vorgestellt. Das Einbringen des Chromophors in das Wassernanotröpfchen inverser Mizellen zeigt keine ausgeprägte Veränderung der Solvatationsdynamik, d.h. die für reines Wasser charakteristischen strukturellen Relaxationsmoden bestimmen auch die Solvatation innerhalb des Wassereinschlusses inverser Mizellen. Die Erhöhung des Einschränkungsgrades durch eine Verringerung der Mizellengröße hat dabei einen überraschend geringen Effekt auf die zugrundeliegenden Dynamiken der Solvatation.