Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie an Lipid-, Peptid- und Flüssigkristall-Filmen an der Luft/Wasser-Grenzfläche

Abstract

Die Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS) wurde zur Charakterisierung von Monoschichten an der Luft/Wasser-Grenzfläche verwendet. Mit dieser Methode können Informationen über die molekulare Struktur der filmbildenden Amphiphile erhalten werden. Im Falle von Lipiden lassen sich Aussagen über die Konformation der Kohlenwasserstoffketten und über die Kopfgruppenstruktur erhalten. Für geordnete Alkylketten ist es außerdem möglich deren Orientierung zu bestimmen. Von Peptiden und Proteinen läßt sich sowohl an der Luft/Wasser-Grenzfläche als auch in Wechselwirkung mit Lipidmonoschichten die Sekundärstruktur untersuchen. In einigen Fällen ist es möglich die Orientierung dieser Sekundärstrukturen zu bestimmen. Es wurde ein Programm zur Simulation von IRRA-Spektren und zur Berechnung der Orientierung von Molekülschwingungen geschrieben. Mit dem vorgestellten mathematischen Formalismus war es möglich neben einzelnen IRRAS-Schwingungsbanden auch erstmals die Basislinie über den gesamten Wellenzahlbereich des IRRA-Spektrums zu berechnen. Als charakteristische Filmparameter gehen die Schichtdicke, die Brechungsindices des Films und der Tiltwinkel des Moleküldirektors in die Berechnung ein. Zur Auswertung der experimentellen Daten in Hinsicht auf eine Filmdickebestimmung eignet sich vor allem die OH-Streckschwingungsbande des Wassers. Die Untersuchungen wurden am Flüssigkristall 8-Cyanobiphenyl, an Lipiden (verschieden deuterierte DPPC-Isomere, Sphingolipide [Ganglioside und Ceramide], Bis-(monoacylglycero)phosphate) sowie an verschiedenen Lipid/Protein-Systemen (Lipid A und Lactoferrin, POPG und KLAL, GM1 und GM2-Aktivatorprotein) durchgeführt.

Infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) was applied to characterize monolayers at the air/water interface and to get information of the molecular structure of the film forming amphiphiles. In the case of lipids, it is possible to characterize the conformation of the hydrocarbon chains and the headgroup structure. Ordered alkyl chains allow the determination of their orientation. The secondary structure of peptides and proteins at the air/water interface as well as the interaction with lipid films can be investigated. In particular cases it is possible to determine the orientation of the respective secondary structures. A program for the simulation of IRRA spectra and for the calculation of the orientation of molecular vibrations was written. Besides the simulation of IRRAS vibrational bands, the whole baseline of the IRRA spectrum could be calculated. Characteristical parameters are the film thickness, the refractive indices and the tilt angle of the molecular director. The OH stretching vibrational band of the water subphase was used for these calculations. The investigation covered the examination of the liquid crystal 8-cyanobiphenyl, several lipids (different deuterated DPPC isomers, sphingolipids [gangliosides and ceramides], bis-(monoacylglycero)phosphates) as well as different lipid/protein systems (lipid A and lactoferrin, POPG and KLAL, GM1 and GM2 activator protein).