Kemister vid Ruhr-Universität Bochum har utvecklat en ny metod som gör att de kan kartlägga förändringar i dynamiken och strukturen hos vattenmolekyler i närheten av lösta ämnen. Med denna teknik, kallad terahertz-kalorimetri, de undersökte egenskaperna hos hydratiseringsskalet hos lösta alkoholmolekyler. I framtiden, de vill också använda metoden för vattenkartläggning kring mer komplexa system som enzymer, vilket kan vara viktigt för läkemedelsdesign.

Resultaten publicerades av Prof Dr Martina Havenith, ordförande för fysikalisk kemi II och taleskvinna för kompetensgruppen Resolv, med Dr Fabian Böhm och Dr Gerhard Schwaab i journalen Angewandte Chemie .

Metoden kan nu tillämpas i realtid

Grundläggande biologiska processer såsom enzymatisk katalys eller molekylär bindning sker i vattenfas. Kalorimetri fungerar som ett kraftfullt biofysiskt verktyg för att studera molekylär igenkänning och stabilitet hos biomolekylära system genom att mäta förändringar i termodynamiska tillståndsvariabler, t.ex. vid proteinvikning eller associering, i syfte att härleda värmeöverföringen i samband med dessa förändringar. Kalorimetri avgör, entalpi och entropi, som är mått på värmeöverföringen och oordningen i systemet.

Kalorimetri är begränsad till tidsskalor på 1 till 100 sekunder. I kontrast, spektroskopiska processer, som är baserade på korta laserpulser, kan utföra mätningar på en tidsskala av en miljondels eller en miljarddels sekund. De Bochum-baserade kemisterna visade att båda metoderna är gratis.

"Genom att etablera en terahertz-kalorimeter i ett proof of concept-experiment, vi har uppnått det första målet som vi hade arbetat med med hjälp av Advanced Grant-medlen från European Research Council, "förklarar Martina Havenith.

Bestämma strukturen för de vattniga kuverten

Ett skal av omgivande vattenmolekyler, hydratiseringsskalet, bildas runt vilken löst molekyl som helst. Det lösta ämnet påverkar det vanliga nätverket av vätebryggor mellan vattenmolekylerna, orsakar att vattnet i hydratiseringsskalet beter sig annorlunda än det fria vattnet. Strukturen av hydratiseringsskalet beror på formen och den kemiska sammansättningen av den upplösta molekylen.

Haveniths team undersökte hydratiseringsskalet hos fem olika alkoholkedjor och kunde klassificera olika strukturerat hydreringsvatten genom terahertz-kalorimetri. Exponering för terahertz -pulser ger fingeravtryck av vibrationerna i vattennätet. Detta, i tur och ordning, gör det möjligt för forskarna att härleda grundläggande storheter som entropi och entalpi.

"Metoden tillåter oss för första gången att spektroskopiskt kartlägga entropi och entalpi runt lösta ämnen, vilka är avgörande parametrar för att karakterisera molekylärt igenkänning, " sammanfattar Havenith.