New strategies for time resolved infrared spectroscopy of chemical reactions in solution

Abstract

This work employs the concept of continuous-flow monitoring of chemical reactions by time resolved infrared (IR) spectroscopy. The key of this concept is the combination of a micro-machined infrared transparent chip for rapid mixing of two solutions and IR microspectroscopy along the outlet channel of the mixer, while the reagents are fed into the mixing chip at constant flow rate. The achievable time resolution is determined by the distance between two adjacent measurement spots. The capabilities of IR microscopy equipped with a globar or synchrotron IR source and an IR microscope employing a focal plane array (FPA) detector, for recording small sample spot sizes are investigated. A comparison of these instruments is given.<br />The function of the developed concept is outlined showing computational fluid dynamic simulations, which are supported by experimental results on test reactions. Further experimental results obtained of a biochemical reaction, the binding process between vancomycin, an important antibiotic, to a tripeptide involved in the build up of cell walls of gram positive bacteria is discussed as well.<br />Furthermore, the aim of this work is the evaluation of the ability of new instruments in the very far infrared region (FIR) or so-called terahertz (THz) range from 1 - 100 cm-1 for monitoring protein reactions in aqueous solution. Therefore, water and aqueous solutions of salts and sugars are measured with a THz-pulsed instrument and synchrotron FIR radiation coupled into an IR instrument. A concentration dependent increased absorption across the investigated THz spectral region is recorded for all studied chaotropic solutions, whereas the opposite is obtained for kosmotrope containing solutions.<br />

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Durchführung von zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie an biochemischen Reaktionen.<br />Zu diesem Zweck wurde eine Durchflusszelle im Mikromaßstab mit integriertem Mischer konzipiert, die sowohl das rasche Mischen von Lösungen, wie auch das Beobachten der Mischung unter kontinuierlichem Fluß entlang des Auslaß-Kanals ermöglicht. Sobald das Mischen stattgefunden hat, kann die Reaktionszeit aus dem Abstand vom Mischpunkt und dem Ort der Messung ermittelt werden. Da die erzielbare Zeitauflösung durch den räumlichen Abstand zweier benachbarten Meßpunkten bestimmt ist, wird maximale Zeitauflösung im Einsatz von möglichst kleinem Meßfleck erzielt. Die Leistungsfähigkeit von IR Mikroskopie unter Verwendung von Globaren oder Synchrotronlicht als Strahlungsquelle, sowie die Ankopplung an einen Focal Plane Array (FPA) Detektor, wird dahingehend untersucht. Numerische Fluidsimulationen werden eingesezt, um die Funktion des Mischers zu überprüfen und die experiementellen Ergebnisse von Testreaktionen zu unterstützen. Weiters, werden Ergebnisse von einem biochemischen System - der Reaktion des Glykopeptid-Antibiotikums Vancomycin mit einem Zellwand-Vorstufenpeptid von gram-positiven Bakterien - diskutiert. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist der Einsatz von neuen Instrumenten im sehr fernen Infrarot (FIR)- bzw. Terahertz (THz)-Bereich von 1 - 100 cm-1 zur Untersuchung von wäßrigen Lösungen, die als Grundlage für zukünftige Experimente von Proteinen in Lösung dienen. Dazu wurden Spektren von Wasser und von Salz- und Zuckerlösungen in einer Durchflußzelle in einem gepulsten THz-Instrument sowie einem IR Instrument mit eingekoppelter Synchrotron FIR Strahlung aufgenommen. Ein konzentrationsabhängiger Anstieg der Absorptionsintensität gegenüber Wasser im untersuchten THz-Bereich ist für Lösungen mit chaotropen Salzen festzustellen, sowie ein Sinken für Lösungen von Kosmotropen.