Breitbandige Ultraschallabsorptionsspektroskopie an wässrigen Kohlenhydrat-Lösungen

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Konformationsänderungen von Disacchariden in wässrigen Lösungen. Hierzu wurden Ultraschallabsorptionsspektren im Frequenzbereich von 100 kHz bis 2 GHz bei einer Temperatur von 25°C und typischen Konzentrationen von 0,5 mol/l und 1,0 mol/l bestimmt. Zusätzlich wurden Messreihen in Abhängigkeit von der Konzentration im Bereich von 0,5 mol/l bis 1,8 mol/l und von der Temperatur im Bereich von 10°C bis 35°C ausgeführt. Die Spektren konnten mit Hilfe von Debye-Spektralfunktionen beschrieben werden, wobei sich vier Relaxationsbereiche zeigten. Drei dieser Relaxationsbereiche entsprechen denen der Monosaccharide in wässriger Lösung und können der Rotation von exocyclischen Hydroxyl-Methyl-Gruppen, der Pseudorotation und vermutlich der Assoziation von Kohlenhydratmolekülen zugeordnet werden. Diejenige Relaxation mit einer Relaxationszeit im Bereich von 3,6 bis 19 ns - bei einer Temperatur von 25°C - ist charakteristisch für wässerige Disaccharid-Lösungen und kann mit Hilfe der Rotation der beiden Ringe im Disaccharid-Molekül relativ zueinander erklärt werden.Weiterhin wurden die Spektren von wässerigen Disaccharid-Lösungen mit Zusatz von Calciumchlorid in verschiedenen Konzentrationsverhältnissen gemessen. Die Ergebnisse wurden mit denjenigen der Monosaccharid-Lösungen mit Zusatz von Erdalkalisalzen und von Sacchariden ohne Salzzusatz verglichen. Dabei zeigte sich, dass der Calciumzusatz die Relaxationszeiten in den Spektren von D-Maltose- und D-Glucose-Lösungen nicht ändert, die Rotation der exocyclischen Gruppe, die Assoziation und bei Maltose die Rotation der Ringe gegeneinander bleiben zeitlich unbeeinflusst. Auf der anderen Seite zeigen die Spektren von D-Xylose und D-Fructose einen zusätzlichen Relaxationsterm mit einer Relaxationszeit von einigen Nanosekunden, die auf eine Saccharid-Kation Wechselwirkung hindeuten. Die Ultraschallspektrektroskopie ergibt, dass diese nicht wie bisher angenommen mit einer einfachen Sequenzregel erklärt werden kann.Zusätzlich wurde mit wässerigen Harnstofflösungen ein Referenzsystem für Ultraschallresonatoren für einen Temperaturbereich von 10°C bis 40°C und für Schallgeschwindigkeiten, bei 25°C, von 1496 m/s bis ca. 1740 m/s entwickelt.