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Authors: Dreier, Lisa
Title: Spectroscopic Studies of Water at Charged Interfaces
Online publication date: 5-Feb-2020
Language: english
Abstract: In dieser Arbeit wird das Verhalten von Wasser an geladenen Oberflächen untersucht. Genauer gesagt erforschen wir zwei unterschiedliche Modellsysteme um unser Wissen über die Struktur von Wasser an geladenen Oberflächen zu erweitern. Hierzu wird die nichtlineare optische Methode Summenfrequenzspektroskopie verwendet, mit der das Schwingungsverhalten von Molekülen an der Grenzfläche untersucht werden kann. Zuerst untersuchen wir Wasser in Kontakt mit der festen, leitfähigen Oberfläche Graphen. Hierfür testen wir unterschiedliche Methoden der Übertragung einer Graphenmonoschicht auf ein optisch transparentes Substrat. Die resultierenden Graphenschichten werden mittels optischer Mikroskopie und Raman-Spektroskopie charakterisiert. Des Weiteren konstruieren wir eine spektroelektrochemische Zelle, in der man Graphen elektrochemisch untersuchen kann. Anschließend untersuchen wir die Wasserstruktur an der Graphenoberfläche, sowie deren potentialabhängige Änderungen, spektroskopisch. In einem zweiten Ansatz verwenden wir geladene Lipidmonoschichten, um die Wasserstruktur an geladenen Oberflächen zu untersuchen. Lipidmonoschichten werden oft als Modellsysteme für biologische Membranen verwendet. Wir ändern die Ladungsdichte der Oberfläche indem wir Monoschichten aus Lipidmischungen herstellen, deren Kopfgruppen unterschiedliche Ladungen haben. Auf diese Weise können wir die Ladungsdichte kontrolliert einstellen und unterdessen die Wasserstruktur untersuchen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wasserorientierung an geladenen Lipidmonoschichten bei überraschend niedrigen Ladungsdichten sättigt. Mit der Hilfe von MD Simulationen stellen wir fest, dass diese Sättigung mit zwei unterschiedlichen Mechanismen stattfindet: Ladungskondensation in der diffusen Schicht und eine Umstrukturierung in der Sternschicht. Wir untersuchen nicht nur die Wasserstruktur and der Oberfläche der geladenen Lipidmonoschichten, sondern auch das Oberflächenpotential dieser Systeme. Hierfür verwenden wir zwei unterschiedliche Methoden: Die Methode der Frequenzverdoppelung sowie die Schwingkondensatormethode. Interessanterweise liefern die beiden Methoden stark unterschiedliche Ergebnisse. Wir verwenden die Summenfrequenzspektroskopie um die verschiedenen molekularen Beiträge zum Oberflächenpotentialsignal zu entwirren. Während das Signal der Frequenz-verdoppelung von den Wassermolekülen an der Grenzfläche, den Lipiden und der Hyper-Rayleigh-Streuung beeinflusst wird, wird das Signal der Schwingkondensator-methode von den Carbonylgruppen der Lipide dominiert. Die Carbonylgruppen in Phospholipidmonoschichten haben einen erstaunlich großen Einfluss auf die Ergebnisse der Oberflächenpotentialmessungen mit der Schwingkondensatormethode. Außerdem sind die Frequenz und Intensität der Carbonylbanden sehr stark vom Hydratationszustand der Lipidmonoschichten auf der Wasseroberfläche abhängig. Deshalb untersuchen wir auch die Struktur der Carbonylgruppen in den Lipidmonolagen genauer. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es in der Lipidmonoschicht zwei unterschiedlich orientierte Carbonylgruppen gibt, die stark unterschiedlich wasserstoffbrückengebunden sind. Neben der ausgiebigen Erforschung der Wasserstruktur an geladenen Lipidmonoschichten, untersuchen wir auch das Verhalten von Wasser an zwitterionischen Lipidmonoschichten. Lipide mit zwitterionischen Kopfgruppen sind ein Hauptbestandteil von biologischen Membranen. An solchen zwitterionischen Lipidmonoschichten ordnen sich Wassermoleküle so an, dass ihre Dipole nach oben zeigen. Das heißt, das Wasser verhält sich so, als ob die zwitterionischen Lipide negativ geladen wären. Im letzten Kapitel dieser Arbeit untersuchen wir den Ursprung dieser scheinbar negativen Ladung zwitterionischer Lipide. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wasserorientierung an zwitterionischen Lipiden hauptsächlich durch die lokale Struktur der geladenen Gruppen hervorgerufen wird.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2676
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: X, 117 Seiten
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