TY  - THES
A1  - Blum, Monika
T1  - Electronic and Chemical Properties of Liquids and Solutions
T1  - Elektronische und Chemische Eigenschaften von Flüssigkeiten und Lösungen
N2  - Die hier vorgelegte Doktorarbeit wurde der Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Lösungen mittels weicher Röntgenstrahlen gewidmet. Die verwendeten Photonen-rein-Photonen-raus Methoden, namentlich Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und resonante inelatische Röntgenstreuung (RIXS) stellten sich als exzellente Methoden heraus, diese Systeme zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine experimentelle Anlage gebaut, welche notwendig ist um die genannten Messmethoden zur Untersuchung von Flüssigkeiten zu nutzen. Zentraler Teil dieser Anlage ist eine neuartige Durchflussnasszelle, die die Handhabung der Messungen im Vergleich zu älteren Nasszellen vereinfacht. Dabei ist sie variabel genug, um sie zur Messung von Gasen oder Flüssig-Fest-Grenzflächen anzupassen. Mit der Zelle ist es möglich, die zu untersuchenden Flüssigkeiten unter gut kontrollierten Bedingungen (Temperatur und Durchfluss) zu untersuchen. Die Durch-flussnasszelle ist Teil einer neuen Synchrotronendstation (SALSA). Für die Messungen stehen dabei ein Elektronenanalysator und ein neuartiges hochauflösendes, hocheffizientes Weichröntgenspektrometer zur Verfügung. Mit diesem Spektrometer ist es möglich, zweidimensionale RIXS Karten in sehr kurzer Zeit (wenige Minuten) aufzunehmen, welche die vollständige Information von Röntgenabsorption und Röntgenemission beinhalten. Mit Hilfe der neu entwickelten Instrumentierung war es möglich, eine Reihe unterschiedlicher Flüssigkeiten und Lösungen zu untersuchen. Als erstes System wur-den wässrige NaOH bzw. NaOD Lösungen erforscht. Die nicht-resonanten Emissionsspektren sind stark von dem genutzten Lösungsmittel dominiert und haben daher Ähnlichkeit mit den Spektren von Wasser und schwerem Wasser. Es war möglich, eine Abhängigkeit der Spektren von der Ionenkonzentration festzustellen. Trotz der Ähnlichkeit der Spektren zu Wasserspektren war es aufgrund eines OH- / OD- spezifischen Charakteristikums an der Absorptionskante möglich, resonante Spektren von OH-/OD- ohne Beitrag des Spektrums von Wasser zu erhalten. Diese Spektren zeigten Anzei-chen für Protonendynamik auf der Zeitskala der Rumpflochlebensdauer. Für die Emissionsspektren von NaOH im festen Zustand konnten an der hochenergetischen Hauptline eine niederenergetische und hochenergetische Schulter festgestellt werden. Diese Schultern sind das Ergebnis des Eigendissoziationsprozesses von OH- Ionen, bei welchem O2- Ionen und H2O gebildet werden. Weiterhin waren die Untersuchungen an Natronlauge von Interesse für die folgenden Aminosäurenmessungen, da Natronlauge genutzt wurde, um die gewünschten pH-Wert Änderungen zu erreichen. Die zweite Gruppe von Flüssigkeiten, die in dieser Arbeit untersucht wurde, sind Aminosäuren. Aminosäuren sind die Bausteine für Peptide und Proteine und da-mit sehr wichtig für alle Biowissenschaften. Als Vertreter der Aminosäuren wurden Glycin – die kleinste Aminosäure, und Lysin – eine Aminosäure mit zwei Amingruppen – untersucht. Beide Aminosäuren reagieren sensibel auf Änderungen des pH-Wertes mit einer Deprotonierung/Protonierung der Amingruppe (NH2 ↔ NH3+). In den experimentellen Spektren konnte ein deutlicher Einfluss dieser Prozesse gefunden werden. Die gemessenen Spektren der protonierten Aminosäuren zeigen deutliche An-zeichen für Dissoziationsprozesse. Erste DFT Rechnungen bestätigten diese Anzeichen und unterstützen das Dissoziationsmodell der Aminosäuren. Qualitativ lässt sich sagen, dass sich die hochenergetische Linie in den N K XES Spektren auf die unprotonierten Amingruppen bezieht und der niederenergetische Bereich im Spektrum den protonierten Gruppen zugeordnet werden kann. Neben Aminosäuren sind auch Alkohole und organische Säuren von Bedeutung für biologische Prozesse. Daher wurden als Vertreter aus diesen Gruppen der einfachste Alkohol (Methanol) und die einfachste Säure (Essigsäure) untersucht. Die O K und C K XES Spektren von flüssigem Methanol stimmen hervorragend mit Gasphasen DFT Rechnungen überein. Dies lässt den Schluss zu, dass der Einfluss der Umgebung (Wasserstoffbrückenbindungen) auf die Spektren gering ist. Durch resonante Anregung in geeignete unbesetzte Orbitale war es möglich, die zwei unterschiedlichen Sauerstoffatome der Essigsäure zu unterscheiden und auch einen Anhaltspunkt für die Carboxylgruppen-spezifischen C K XES Spektren zu bekommen. An der Kohlenstoffkante zeigten die XAS Spektren große Unterschiede zu Gasphasenmessungen, was ein Hinweis auf den Einfluss der Wasserstoffbrückenbindungen ist. Die Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Lösungen ist immer noch ein sehr junges Forschungsgebiet. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, welch interessantes Forschungsgebiet dies ist. Die vorgestellten Ergebnisse können als die grundlegende Basis für alle weiteren Untersuchungen in diesem Forschungsfeld angesehen werden.
N2  - This thesis was dedicated to the studies of the electronic and chemical properties of liquids and solutions using soft x-ray spectroscopies. The used photon-in-photon-out methods namely x-ray absorption spectroscopy (XAS), x-ray emission spectroscopy (XES), and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) appeared to be an excellent choice for these studies. In the framework of this thesis, the necessary experimental setup for using the above mentioned experimental techniques on liquids was developed. Hereby, a new flow-through liquid cell was introduced which simplifies the studies of liquids and solutions. The cell design is very flexible and thus can be modified for gases and liquid/solid interfaces. With this cell it is possible to study the samples under well-controlled conditions (temperature and flow rate). The novel flow-through liquid cell is part of the new SALSA synchrotron endstation including an electron analyzer and a novel high-resolution, high-transmission soft x-ray spectrometer. The latter makes it possible to measure two-dimensional RIXS maps in a very short time, which include the full excitation and emission information in one plot. Making use of the new instrumentation, a variety of different liquids and solutions were investigated. As first system, aqueous solutions of sodium hydroxide (NaOH) and sodium deuteroxide (NaOD) were investigated. In the XAS as well as in the XES spectra a pronounced concentration dependence was found. At non-resonant energies, the spectra are dominated by the solvent and thus look similar to water. Making use of the pre-pre-edge in the absorption spectra which can exclusively be attributed to OH- / OD- it was possible to extract the resonant emission spectra of the ions which show an indication for proton dynamics during the core-hole lifetime. For the solid state NaOH XES spectra it was possible to reveal a high energetic shoulder and a low energetic shoulder at the high energy emission feature. These shoulders can be assigned to self-dissociation processes where OH- forms O2- ions and H2O. The study of NaOH was also of interest for the studies of the amino acids, which were in the focus of the next part, since the pH-values of the respective solutions were controlled by NaOH. In the next part of this thesis, amino acid solutions were investigated. Amino acids are the building blocks of peptides and proteins and thus important for life science. The investigated representatives were glycine, the simplest amino acid, and lysine, an amino acid with two amine groups. Both amino acids react on pH-value changes at the amine group where the local environment at the nitrogen atom changes (NH2 ↔ NH3+). A strong change of the spectra induced by this protonation/deprotonation could be found. Furthermore, for low pH-values (protonated amine groups) the amine groups are influenced by strong proton dynamics. First DFT calculations confirm the dissociation model of the amino acids. Qualitatively the high energy peak in the N K XES spectra can be attributed to the deprotonated amine group and the low energy area for the protonated amine group. Besides amino acids, alcohols and acids are important in biological processes. Therefore, the smallest alcohol (methanol) and the smallest carboxylic acid (acetic acid) were under investigation. For the liquid methanol XES spectra a very good agreement with DFT calculations of gas phase methanol could be found. This observation suggests that the influence of the environment (hydrogen bonding) on the spectra is small. The achieved spectra are in good agreement with DFT calculations found in literature. It was possible to selectively excite the two non-equivalent oxygen atoms in acetic acid and to reveal the carboxyl specific C K XES. The carbon XAS spectra showed strong differences compared to gas phase measurements which might be a hint for the influence of the hydrogen bond network. The investigation of the electronic and chemical properties of liquids and solutions is a very young field of research and the results presented in this thesis show that it is a very interesting topic. The presented results can be seen as the fundamental frame work for all following studies. With the understanding of basic, i.e., simple, systems as shown in this work it will be possible to understand complex biological systems in their native environment, e.g., peptides and proteins, which are the building blocks of life.
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Natriumhydroxid
KW  - Elektronische Eigenschaft
KW  - Röntgenstrahlung
KW  - Röntgenabsorptionsspektroskopie
KW  - Aminosäuren
KW  - RIXS
KW  - XES
KW  - XAS
KW  - amino acids
KW  - liquid cell
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-43732
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TY  - THES
A1  - Berner, Götz
T1  - Funktionelle oxidische Heterostrukturen aus dem Blickwinkel der Spektroskopie
T1  - Functional oxide heterostructures from a spectroscopic perspective
N2  - In oxidischen Heterostrukturen rufen Neuordnung von Ladung und Spin eine Vielzahl von unerwarteten physikalischen Eigenschaften hervor. Die Möglichkeit, Leitfähigkeit, Magnetismus oder auch Hochtemperatur-Supraleitung zu kontrollieren, machen diese künstlich hergestellten Materialien vor allem in Hinblick auf eine zukünftige Anwendung in der Mikroelektronik äußerst interessant. Dies erfordert jedoch ein grundsätzliches Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit photonengestützter Spektroskopie, die einen direkten Zugang zur elektronischen Struktur dieser Heterostruktursysteme ermöglicht. Ein weiteres Ziel ist es, geeignete spektroskopische Methoden zur Charakterisierung der vergrabenen Schichten zu etablieren.

Zwei prototypische oxidische Mehrschichtsysteme stehen im Zentrum der hier vorgestellten Untersuchungen. Das LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktursystem weist ab einer kritischen LaAlO3-Filmdicke an der Grenzfläche ein zweidimensionales Elektronensystem mit hochmobilen Ladungsträgern auf. Als treibender Mechanismus wird die elektronische Rekonstruktion diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses zweidimensionale Elektronensystem mithilfe der Photoelektronenspektroskopie und der resonanten inelastischen Röntgenstreuung charakterisiert. Die daraus bestimmten Ladungsträgerdichten weisen im Vergleich mit Daten aus Transportmessungen auf eine Koexistenz von lokalisierten und mobilen Ladungsträgern an der Grenzfläche hin. Die Analyse von Rumpfniveau- und Valenzbandspektren zeigt, dass man zur Erklärung der experimentellen Resultate ein modifiziertes Bild der elektronischen Rekonstruktion benötigt, bei der Sauerstofffehlstellen an der LaAlO3-Oberfläche als Ladungsreservoir dienen könnten. Mithilfe der resonanten Photoelektronenspektroskopie war es möglich, die metallischen Zustände am chemischen Potential impulsaufgelöst zu spektroskopieren. So gelang es erstmals, die vergrabene Fermi-Fläche einer oxidischen Heterostruktur zu vermessen. Außerdem konnten Titan-artige Zustände identifiziert werden, die höchstwahrscheinlich durch Sauerstofffehlstellen im SrTiO3 lokalisiert sind. Diese werden als mögliche Quelle für den Ferromagnetismus interpretiert, der mit der supraleitenden Phase in der LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktur koexistiert.

Bei dem anderen hier untersuchten Mehrschichtsystem handelt es sich um die LaNiO3-LaAlO3-Übergitterstruktur. Der Einbau des metallischen LaNiO3 in eine Heterostruktur ist aufgrund seiner Nähe zu einer korrelationsinduzierten isolierenden Phase hinsichtlich einer kontrollierten Ausbildung von neuartigen Phasen besonders interessant. In der Tat beobachtet man unterhalb einer LaNiO3-Schichtdicke von vier Einheitszellen einen kontinuierlichen Metall-Isolator-Übergang, der sich in den Valenzbandspektren durch einen Verlust an Quasiteilchenkohärenz äußert. Auch wenn die impulsaufgelösten
Daten am Fermi-Niveau durch Photoelektronenbeugung beeinflusst sind, so lässt sich dennoch eine Fermi-Fläche identifizieren. Ihre Topologie bietet die Möglichkeit eines Fermi-Flächen-Nestings mit der Ausbildung einer Spindichtewelle. Die Resultate unterstützen die Hinweise auf eine magnetische Ordnung im zweidimensionalen Grundzustand.
N2  - Oxide heterostructures exhibit a manifold of unexpected physical properties due to charge and spin rearrangement. Because of the possibility to control the conductivity, magnetism or high-temperature superconductivity, these artificial materials are prospective candidates for future application in microelectronics. However, this needs a fundamental understanding of the mechanism leading to such effects. This thesis addresses the investigations of such systems by photoassisted spectroscopy providing a direct access to the electronic structure. The further aim of this study is to establish applicable spectroscopic methods for characterizing the buried layers in heterostructures.

The study presented here deals with two prototypical oxide heterostructures. In the prominent LaAlO3/SrTiO3 heterostructure the formation of a two-dimensional electron system at the interface is observed, if the LaAlO3 layer exceeds a critical thickness. The electronic reconstruction is discussed as the driving mechanism. In this study the two-dimensional electron system is characterized by photoelectron spectroscopy and resonant inelastic x-ray scattering. The comparison of the charge carrier densities determined from spectroscopy with data from transport measurements indicates the coexistence of localized and mobile charge carriers at the interface. The analysis of core-level spectra as well as valence band spectra show that a modified electronic reconstruction picture is needed to explain the experimental observations. In such a scenario oxygen vacancies in the LaAlO3 surface layer might provide the extra charge. By using resonant photoelectron spectroscopy momentum-resolved measurements were performed to observe the metallic states at the chemical potential. For the first time a mapping of the buried Fermi surface of an oxide heterostructure has been accomplished. Additionally, some Titanium-derived states were identified in the spectra which are probably localized by surrounding oxygen vacancies in the SrTiO3. They are interpreted as a possible source of the ferromagnetism, which coexists with the superconducting phase in the LaAlO3/SrTiO3 heterostructure.

The other multilayer system studied here is the LaNiO3-LaAlO3 superlattice structure. Due to its closeness to the correlation-induced insulating phase the integration of the metallic LaNiO3 in a heterostructure possibly opens the way to novel phases. Actually, a continuous metal-insulator transition is observed below a LaNiO3 layer thickness of four unit cells, which is manifested in a loss of quasiparticle coherence in the valence band spectra. Even though the momentum-resolved data is affected by photoelectron diffraction, a Fermi surface can be identified. Its topology provides the possibility of Fermi surface nesting and the formation of a spin density wave. Thus, the results support the indication for a magnetic ordering in the two-dimensional ground state.
KW  - Heterostruktur
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - RIXS
KW  - Übergitter
KW  - ARPES
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121721
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meyer, Frank
T1  - Soft X-ray Spectroscopic Study of Amino Acid and Salt Solutions
T1  - Weichröntgenspektroskopische Untersuchungen von Aminosäuren und Salzen in wässriger Lösung
N2  - This thesis focuses on the investigation of the electronic structure of amino acids and
salts in aqueous solution using X-ray spectroscopic methods. Both material groups are
of fundamental importance with regards to many physiological reactions, especially
for the Hofmeister effect which describes the solubility of proteins in salt solutions.
Hence, the investigation of the electronic structure of amino acids and the influence of
ions on the hydrogen bonding network of liquid water are important milestones to a
deeper understanding of the Hofmeister series.
Besides investigating the electronic structure of amino acids in aqueous solution,
the spectra were used to develop a building block model of the spectral fingerprints of
the functional groups and were compared to spectral signatures of suitable reference
molecules. In the framework of this thesis, it is shown that the building block approach
is a useful tool with allows the interpretation of spectral signatures of considerably
more complex molecules
In this work, the focus lies on the investigation of the occupied and unoccupied
electronic states of molecules in solid state, as well as in aqueous solution. Hereby,
different X-ray spectroscopic methods were applied. X-ray emission spectroscopy
(XES) was used to probe the occupied electronic structure of the solution, while the
unoccupied electronic structure was addressed by using X-ray absorption spectroscopy
(XAS). Finally, resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) as a combination of XAS
and XES measurements provides the combined information about the unoccupied and
occupied molecular levels. The element specific character of the three measurement
methods is a feature which allows the investigation of the local electronic structure of
a single functional group. With RIXS, also non-equivalent atoms of the same element
can be addressed separately.
Within this thesis firstly, a library of the XE spectra of all 20 proteinogenic amino
acids in zwitterionic form is presented. From this sample-set XES fingerprints of
the protonated alpha-amino group NH3+ and the deprotonated carboxylic group COO- were evaluated and used to identify the XES fingerprints of the nitrogen and oxygen
containing functional groups of the side chains of the amino acids. The data is discussed
based on a building block approach. Furthermore, the XE spectra of the functional
groups of lysine and histidine, namely the NH2 group and the C3N2H4 ring structure,
are both compared to XE spectra of suitable reference molecules (imidazole, ammonia
and methylamine). It is found that the XE and RIXS spectra of the side chains of lysine
and histidine show large similarities to the XE spectra of the reference molecules. This
agreement in the XE and RIXS spectra allows a qualitative investigation of XE and
RIXS spectra of more complex amino acids using the XE and RIXS spectra of suitable
reference molecules.
The chemical structure of histidine and proline is quite different from the structures
of the other proteinogenic amino acids. Due to the unique chemical structure of
the side chain which in both cases consists of a heterocyclic ring structure, these two
amino acids were investigated in more detail. Zubavichus et al. [1] have shown that
amino acids are decomposing while exposed to X-ray radiation of the experiment. The
damage is irreversible and molecular fragments can adsorb on the membrane of the
experimental setup. This contamination can also create a spectral signature which
then overlaps with the signal of the solution and which complicates the interpretation
of the data. To record spectra which are free from contributions of adsorbed molecular
fragments on the membrane, the adsorption behavior was investigated.
In contrast to the solid phase in which the amino acids are present as salts in one
electronic conformation, the charge state of the amino acids can be manipulated in
aqueous solution by tuning the pH-value. By doing this, all possible charge states are
accessible (cation, anion, zwitterion). In this work it is shown that also the spectra
of the different charge states can be modeled by the spectra of suitable reference
molecules using the building block approach. The spectral changes occurring upon
protonation and deprotonation of the functional groups are explored and verified by
comparing them to theoretical calculations.
The comparison with measurements of pyrrolidine show that the electronic structure
which surrounds the nitrogen atom of proline is strongly influenced by the
ring structure of the side chain. Furthermore, the proline, pyrrolidine, and histidine
molecules are also degrading during the liquid sample measurements. This can be
observed by the detection of a new spectral component which increases with the
measurement time originating from the window membrane. In all cases, the speed of
the agglomeration of molecular fragments at the membrane was observed to be highly
sensitive to the pH value of the solution.
To understand the Hofmeister series, also the impact of the salt ions have to be
investigated. In this study the influence of potassium chloride (KCl) on the hydrogen
bond network of water was studied by using non-resonantly excited XES as well as
RIXS. A decreased dissociation of hydrogen molecules and changes in the molecular
vibrations could be detected. These changes were interpreted with a molecular
reorganization of the water molecules and a decreased number of hydrogen bonds.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen zur elektronischen Struktur von
verschiedenen Aminosäuren sowohl in wässriger Lösung als auch als Festkörper
präsentiert. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf dem Erlangen eines fundamentalen
Verständnisses über die elektronische Struktur der Aminosäuren in wässriger
Lösung und der Entwicklung eines Baukastenprinzips für die qualitative Analyse
der Röntgenemissions- und resonanten inelastischen Röntgenstreuungsspektren. In
dieser Arbeit wird neben Aminosäuren auch der Einfluss von Salzionen auf das dynamische
Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk des flüssigen Wassers untersucht.
Beide Aspekte stellen wichtige Zwischenschritte auf dem Weg zu einem detaillierten
Verständnis des Hofmeister-Effekts dar.
In dieser Arbeit wurden röntgenspektroskopische Methoden verwendet, um die
besetzten und unbesetzten Zustände der Moleküle sowohl im Festkörper als auch in
wässriger Lösung zu untersuchen. Angewandt wurde dabei die Röntgenabsorptionsspektroskopie
(XAS), welche die Untersuchung der unbesetzten Zustände erlaubt. Im
Gegensatz dazu liefert die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) Informationen über
die besetzten Zustände. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) vereint
diese beiden Techniken und enthält Informationen über die gesamte elektronische
Struktur eines Systems. Der elementspezifische Charakter dieser Messmethoden
muss dabei gesondert hervorgehoben werden, denn dadurch ist es möglich die lokale
elektronische Struktur unterschiedlicher funktioneller Gruppen getrennt voneinander
zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst eine Bibliothek der XES-Spektren der
zwanzig proteinogenen Aminosäuren angelegt. Daraus konnten spektrale Fingerabdrücke
der einzelnen funktionellen Gruppen und der Stickstoff und Sauerstoff
enthaltenden Seitenketten der Aminosäuren erstellt werden. Die Spektren der einzelnen
funktionellen Gruppen von Lysin und Histidin wurden in einem zweiten Schritt
mit den Spektren von kleineren Molekülen, welche die pure funktionelle Gruppe
repräsentieren, verglichen. Durch die sehr gute Übereinstimmung konnte gezeigt
werden, dass die Röntgenemissionsspektren der untersuchten Aminosäuren nach
einem Baukastenprinzip durch die Spektren der kleineren und dadurch einfacheren
Referenzmoleküle beschrieben werden können. Mit Hilfe dieses Baukastenprinzips
wurde im weiteren Verlauf dieser Arbeit die detaillierte Untersuchung der elektronischen
Struktur der Aminosäuren Prolin und Histidin möglich.
Die Aminosäuren Histidin und Prolin wurden dabei wegen ihrer speziellen chemischen
Struktur, welche sich durch eine Ringstruktur an der Seitenkette von der
chemischen Struktur der restlichen Aminosäuren unterscheidet, für eine genauere
Untersuchung ausgewählt. Sowohl Prolin als auch Histidin werden durch die starke
Röntgenstrahlung während des Experiments irreparabel beschädigt, wodurch sich
die spektrale Signatur der Moleküle sehr stark ändert. Um diese Beschädigungen zu
erkennen und zu vermeiden wurden die Veränderungen der Spektren in Abhängigkeit
der Belichtungszeit dokumentiert. Neben Festkörpermessungen, bei welchen die
Aminosäuren nur in einer einzigen Konfiguration vorhanden sind (zwitterionisch),
wurden die Aminosäuren auch in ihrer natürlichen Umgebung, der wässrigen Lösung,
untersucht. Durch die Variation des pH-Wertes der Lösung kann die Konfiguration
und damit die elektronische Struktur geändert werden (Kation, Anion, Zwitterion).
Eine starke Veränderung in den Spektren in Abhängigkeit des pH-Wertes konnte festgestellt
werden. Dabei fällt auf, dass die elektronische Struktur des Stickstoffs in der
Aminosäure Prolin sehr stark durch die Ringstruktur der Seitenkette beeinflusst wird,
was durch den Vergleich des Spektrums mit dem Spektrum des Pyrrolidin Moleküls
gezeigt wurde. Des Weiteren konnte sowohl bei den Flüssigexperimenten mit Prolin
als auch mit Histidin eine Kontamination der Membran festgestellt werden, welche
durch Molekülfragmente entsteht. Dieser Kontaminierungsprozess konnte für Prolin
und Histidin vor allem bei neutralem und hohem pH-Wert beobachtet werden.
Dennoch konnten durch das Baukastenprinzip und die Untersuchungen der Referenzmoleküle
Imidazol und Pyrrolidin Erkenntnisse über die elektronische Struktur
von Histidin und Prolin gewonnen werden. Mit Hilfe der resonanten inelastischen
Röntgenstreuung konnten die spektralen Fingerabdrücke der beiden nicht
äquivalenten Stickstoffatome des Imidazols experimentell voneinander getrennt werden.
Des Weiteren wurden innerhalb der RIXS-Spektren starke resonante Einflüsse
beobachtet. Mit Hilfe von berechneten Spektren von isolierten Imidazol und Imidazolium
Molekülen konnten die spektralen Signaturen sowohl im nicht resonanten
Spektrum als auch im resonanten Spektrum erklärt werden und im Einzelnen auf die
Struktur der Valenzorbitale zurückgeführt werden.
Auf dem Weg zum Verständnis des Hofmeister-Effekts ist neben den Aminosäuren
natürlich auch der Einfluss von Salzen auf die Lösung zu berücksichtigen. Im letzten
Teil dieser Arbeit stehen daher die Auswirkungen der Ionen des Kaliumchlorids auf
das Röntgenemissionsspektrum des Wassers im Fokus. Dazu wurden KCl Lösungen
verschiedener Konzentrationen untersucht. Durch die Zugabe von Salz konnte eine
Umorientierung der Wassermoleküle und des damit verbundenen Netzwerks von
Wasserstoffbrückenbindungen beobachtet werden.
KW  - Aminosäuren
KW  - Elektronenstruktur
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - RIXS
KW  - resonant inelastic x-ray scattering
KW  - amino acids
KW  - aqueous solution
KW  - electronic structure
KW  - salt solutions
KW  - Elektronenstruktur
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Salzlösung
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124295
ER  - 
TY  - THES
A1  - Benkert, Andreas
T1  - Soft x-ray spectroscopic study of methanol and glycine peptides in different physical environments
T1  - Weichröntgenspektroskopische Untersuchung von Methanol und Glycin Peptiden in unterschiedlichen physischen Umgebungen
N2  - Ionenspezifische Effekte treten in einer Vielzahl von wässrigen Lösungen aus Elektrolyten und größeren Molekülen wie Peptiden auf. Die Ionen bewirken dabei Änderungen in Eigenschaften wie z.B. der Viskosität, den Aktivitäten von Enzymen, der Stabilität von Proteinen und deren Ein- bzw. Aussalzverhalten. Typischerweise wird die ionenabhängige Ausprägung derartiger Effekte mithilfe der Hofmeister–Serie beschrieben, die ursprünglich Ionen nach ihrer Fähigkeit ordnete, die Löslichkeit von Hühnereiweis in Wasser zu steigern oder zu unterdrücken. Die empirische Abfolge der Ionen in der Hofmeister–Serie kann jedoch bis heute nicht zweifelsfrei erklärt werden. Trotz weitreichender Bemühungen, ein molekulares Verständnis dieses Phänomens zu schaffen, konnte bisher keine Einigung über die zugrundeliegenden Mechanismen und die genauere Bestimmung und Lokalisierung der Wechselwirkung erzielt werden. Die resonante inelastische Weichröntgenstreuung (RIXS) kombiniert die beiden Methoden der Röntgenemissions– (XES) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS). So können mit RIXS Informationen sowohl über die besetzten als auch die unbesetzten elektronischen Zustände gesammelt und zu einem umfassenden Bild der elektronischen Struktur des Systems verknüpft werden, was diese Methode zu einem vielversprechenden Werkzeug macht, etwas mehr Licht auf die Thematik zu werfen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zielen deshalb darauf ab, ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Salzen und Peptiden in wässriger Lösung zu schaffen. Hierfür wird systematisch der Einfluss verschiedenster physikalischer Umgebungen auf die elektronische Struktur von kleinen Molekülen (Methanol und von Glycin abgeleitete Peptide) mittels Weichröntgenspektroskopie, unterstützt durch Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen, untersucht.
In einem ersten Schritt werden isolierte Moleküle ohne jeglicheWechselwirkung zu ihrer unmittelbaren Umgebung anhand von Methanol in der Gasphase als Modelsystem untersucht. Hierbei wird insbesondere der lokale und elementspezifische Charakter von RIXS demonstriert und die lokale elektronische Struktur von Methanols Hydroxyl– und Methylgruppe untersucht. Mithilfe von DFT–Rechnungen werden die beobachteten Emissionslinien in den XES–Spektren der Emission bestimmter Molekülorbitale zugeordnet und deren relative Emissionsintensitäten erläutert. Für eine resonante Anregung der ersten Resonanz an der Sauerstoff–K–Absorptionskante werden starke Isotopeneffekte beobachtet, die durch dynamische Prozesse an der Hydroxylgruppe erklärt werden können. Dies dient als hervorragendes Beispiel für mögliche Auswirkungen, die eine lokale Änderung in der Geometrie oder Symmetrie des Moleküls auf dessen elektronische Struktur haben kann.
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird das untersuchte Probensystem um die Aminosäure Glycin und deren kleinste Peptide Diglycin und Triglycin, vorerst in ihrer kristallinen Form als Festkörper, erweitert. Mithilfe von RIXS–Karten der Stickstoff– und Sauerstoff–K–Absorptionskanten wird erneut, unterstützt durch DFT–Rechnungen, ein umfassendes Bild der elektronischen Struktur der Moleküle gezeichnet. Ähnlich zum Fall von Methanol werden die Emissionsspektren an der Stickstoff–K–Kante stark von dynamischen Prozessen an der protonierten Aminogruppe der Moleküle beeinflusst. Zudem wird gezeigt, dass RIXS gezielt dazu verwendet werden kann, das Stickstoffatom in der Peptidbindung anzuregen und die elektronische Struktur in dessen lokaler Umgebung zu untersuchen. Desweiteren wird ein einfaches Baukastenprinzip für XES–Spektren dazu genutzt, die spektralen Anteile der Emission aus Übergängen an den beiden Stickstoffatomen in Diglycin zu isolieren. In wässriger Lösung kann eine leichte Veränderung der elektronischen Struktur der Moleküle durch die Wechselwirkung mit benachbarten Wassermolekülen, vermutlich an den geladenen funktionellen Gruppen, beobachtet werden. Die Auswirkungen auf die XES–Spektren sind jedoch eher gering. Deutlich größere Veränderungen werden beobachtet, wenn man den Protonierungszustand der Moleküle über den pH–Wert der Lösung manipuliert. Sowohl die Protonierung der Carboxylgruppe für kleine pH–Werte als auch die Deprotonierung der Aminogruppe in basischer Lösung führen zu starken Veränderungen in den RIXS–Karten. In einer umfangreichen Untersuchung der XES–Spektren von Glycin als Funktion des pH–Wertes wird gezeigt, dass sich die Änderungen jedoch nicht nur örtlich begrenzt auf die Umgebung der manipulierten funktionellen Gruppe, sondern auch auf die elektronische Struktur in weiter entfernten Bereichen des Moleküls auswirken.
Als Beispiel für Systeme in denen Hofmeister–Effekte beobachtet werden, werden zu guter Letzt gemischte wässrige Lösungen aus Diglycin und verschiedenen Salzen untersucht. Um den Einfluss verschiedener Kationen auf die elektronische Struktur der Diglycin Moleküle zu erfassen wird eine Reihe unterschiedlicher Chloride verwendet, wohingegen eine Reihe von Kaliumsalzen für die Untersuchung verschiedener Anionen herangezogen wird. In beiden Fällen werden ionenspezifische Auswirkungen auf die XES–Spektren von Diglycin beobachtet, die qualitativ der Sortierung innerhalb der Hofmeister–Serie folgen. Die beobachteten Änderungen deuten dabei darauf hin, dass Kationen unterschiedlich stark mit dem Sauerstoff in der Peptidbindung und dessen unmittelbarer Umgebung wechselwirken, wohingegen Anionen eine gesteigerte Affinität zur Aminogruppe von Diglycin aufweisen.
N2  - Ion-specific effects occur in a huge variety of aqueous solutions of electrolytes and larger molecules like peptides, altering properties such as viscosity, enzyme activity, protein stability, and salting-in and salting-out behavior of proteins. Typically, these type of effects are rationalized in terms of the Hofmeister series, which originally orders cations and anions according to their ability to enhance or suppress the solubility of proteins in water. This empirical order, however, is still not understood yet. Quite some effort was made to gain a molecular level understanding of this phenomenon, yet no consensus has been found about the underlying mechanisms and the determination and localization of the interaction sites.
Resonant inelastic soft x-ray scattering (RIXS) combines x-ray emission (XES) and absorption spectroscopies (XAS), probing the partial local density of states of both occupied and unoccupied electronic states and is thus a promising candidate to shed more light onto the issue. The studies presented in this work are directed towards an improved understanding of the interaction between salts and peptides. In order to address this topic, the impact of different physical environments on the electronic structure of small molecules (i.e., methanol and glycine derived peptides) is investigated systematically using soft x-ray spectroscopic methods, corroborated with density functional theory (DFT) calculations.
In a first step, molecules without any interactions to the surrounding are investigated, using gas-phase methanol as a model system. Thereby, the local and element specific character of RIXS is demonstrated and used to separately probe the local electronic structure of methanol’s hydroxyl and methyl group, respectively. The attribution of the observed emission features to distinct molecular orbitals is confirmed by DFT calculations, which also quantitatively explain the different relative intensities of the emission features. For resonant excitation of the O K pre-edge absorption resonance, strong isotope effects are found that are explained by dynamical processes at the hydroxyl group. This serves as an excellent example for possible consequences of a local change in the geometric structure or symmetry of a molecule on its electronic structure.
In the following, the sample system is expanded to the amino acid glycine and its smallest derived peptides diglycine and triglycine. As a first step, they are studied in their crystalline form in solid state. Again, a comprehensive picture of the electronic structure is developed by measuring RIXS maps at the oxygen and nitrogen K absorption edge, corroborated by DFT calculations. Similar to the case of methanol, dynamic processes at the protonated amino group of the molecules after exciting the nitrogen atom have a strong influence on the emission spectra. Furthermore, it is shown that RIXS can be used to selectively excite the peptide nitrogen to probe the electronic structure around it. A simple building block approach for XES spectra is applied to separate the contribution of the emission attributed to transitions into core holes at the peptide and the amino nitrogen, respectively.
In the aqueous solution, the surrounding water molecules slightly change the electronic structure, probably via interactions with the charged functional groups. The effects on the x-ray emission spectra, however, are rather small. Much bigger changes are observed when manipulating the protonation state of the functional groups by adjusting the pH value of the solution. A protonation of the carboxyl group at low pH values, as well as a deprotonation of the amino group at high pH values lead to striking changes in the shape of the RIXS maps. In a comprehensive study of glycine’s XES spectra at varying pH values, changes in the local electronic structure are not only observed in the immediate surrounding of the manipulated functional groups but also in more distant moieties of the molecule.
Finally, the study is extended to mixed aqueous solutions of diglycine and a variety of different salts as examples for systems where Hofmeister effects are observed. To investigate the influence of different cations and anions on the electronic structure of diglycine, two series of chlorine and potassium salts are used. Ion-specific effects are identified for both cases. Some of the changes in the x-ray emission spectra of diglycine in the mixed solutions qualitatively follow the Hofmeister series as a function of the used salt. The observed trends thereby indicate an increased interaction between the electron density around the peptide oxygen with the cations, whereas anions seem to interact with the amino group of the peptide.
KW  - Methanol
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Peptide
KW  - XES
KW  - Glycin Peptide
KW  - glycine peptides
KW  - ionenspezifische Effekte
KW  - ion-specific effects
KW  - RIXS
KW  - Hofmeister-Serie
KW  - Inelastische Röntgenstreuung
KW  - Hofmeister
KW  - Gasphase
KW  - wässrige Lösung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147111
ER  -