Chemici van de Ruhr-Universität Bochum hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze veranderingen in de dynamiek en structuur van watermoleculen in de buurt van opgeloste stoffen in kaart kunnen brengen. Met deze techniek, genaamd terahertz-calorimetrie, ze onderzochten de eigenschappen van de hydratatieschil van opgeloste alcoholmoleculen. In de toekomst, ze willen de methode ook gebruiken voor het in kaart brengen van water rond complexere systemen zoals enzymen, wat belangrijk kan zijn voor het ontwerp van medicijnen.

De resultaten zijn gepubliceerd door Prof. Dr. Martina Havenith, leerstoel Fysische Chemie II en woordvoerster van het excellentiecluster Resolv, met dr. Fabian Böhm en dr. Gerhard Schwaab in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Methode kan nu in realtime worden toegepast

Fundamentele biologische processen zoals enzymatische katalyse of moleculaire binding vinden plaats in de waterige fase. Calorimetrie dient als een krachtig biofysisch hulpmiddel om de moleculaire herkenning en stabiliteit van biomoleculaire systemen te bestuderen door veranderingen in thermodynamische toestandsvariabelen te meten, bijv. bij eiwitvouwing of associatie, voor het afleiden van de warmteoverdracht die met deze veranderingen gepaard gaat. Calorimetrie bepaalt, enthalpie en entropie, die maatregelen zijn voor de warmteoverdracht en wanorde in het systeem.

Calorimetrie is beperkt tot tijdschalen van 1 tot 100 seconden. In tegenstelling tot, spectroscopische processen, die gebaseerd zijn op korte laserpulsen, kunnen metingen uitvoeren op de tijdschaal van een miljoenste of een miljardste van een seconde. De chemici uit Bochum toonden aan dat beide benaderingen complementair zijn.

"Door een terahertz-calorimeter vast te stellen in een proof of concept-experiment, we hebben het eerste doel bereikt waaraan we hadden gewerkt met behulp van de Advanced Grant-fondsen van de European Research Council, ", legt Martina Havenith uit.

Bepalen van de structuur van de waterige enveloppen

Een schil van omringende watermoleculen, de hydratatieschaal, vormt zich rond een opgelost molecuul. De opgeloste stof tast het reguliere netwerk van waterstofbruggen tussen de watermoleculen aan, waardoor het water in de drinkschaal zich anders gedraagt ​​dan het vrije water. De structuur van de hydratatieschil hangt af van de vorm en de chemische samenstelling van het opgeloste molecuul.

Het team van Havenith onderzocht de hydratatieschil van vijf verschillende alcoholketens en was in staat om verschillend gestructureerd hydratatiewater te classificeren door terahertz-calorimetrie. Blootstelling aan terahertz-pulsen levert vingerafdrukken op van de trillingen in het waternetwerk. Dit, beurtelings, stelt de onderzoekers in staat fundamentele grootheden als entropie en enthalpie af te leiden.

"De methode stelt ons voor het eerst in staat om entropie en enthalpie rond opgeloste stoffen spectroscopisch in kaart te brengen, die cruciale parameters zijn om moleculaire herkenning te karakteriseren, ’ vat Havenith samen.