Hilfe von der dunklen Seite

Innerhalb von nur 7 Femtosekunden wird ein Elektron aus dem Eisen (III)-Komplex<br />durch Lichtanregung in ein neues Orbital verschoben. Dieses neue Orbital<br />entsteht durch Überlapp von Eisen- und Wasserorbital.

Innerhalb von nur 7 Femtosekunden wird ein Elektron aus dem Eisen (III)-Komplex
durch Lichtanregung in ein neues Orbital verschoben. Dieses neue Orbital
entsteht durch Überlapp von Eisen- und Wasserorbital.

Wissenschaftler können dank „Dark-Channel”-Fluoreszenz aufklären, wie biochemische Stoffe ihre Funktion ausüben

Spektroskopische Verfahren gehören zu den wichtigsten Methoden, mit denen Wissenschaftler ins Innere von Materialien schauen können. Sie benutzen dazu Lichtwellen, die mit der zu untersuchenden Probe in Wechselwirkung treten.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben nun mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie die Verschiebung von elektrischen Ladungen in gelösten Stoffen beobachtet, den sogenannten Elektronentransfer. Sogar Aussagen zum zeitlichen Ablauf des Prozesses sind möglich. Damit können sie auf mikroskopischer Skala herausfinden, wie zum Beispiel gelöste biochemische Stoffe ihre Funktion in ihrer natürlichen Umgebung ausüben.

Das HZB-Team um Emad Aziz berichtet darüber in der am 8. August erscheinenden online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Chemistry  (DOI: 10.1038/NCHEM.768), wobei der Herausgeber die Arbeit als Highlight-Bericht hervor hebt.

Die Gruppe hat die Röntgenabsorptionsspektren von Eisen-Ionen sowohl in Eisenchlorid als auch in organischen Verbindungen wie zum Beispiel dem aktiven Zentrum des Blutbestandteils Hämoglobin, dem Hämin, untersucht und einen bislang nicht erklärbaren negativ erscheinenden Peak – als Dip bezeichnet - in den Spektren analysiert.
Bei der Röntgenabsorptions-Spektroskopie wird die Probe mit monochromatischem Röntgenlicht bestrahlt. Wenn die Energie des eingestrahlten Lichts gera-de mit einem energetischen Übergang im Molekül übereinstimmt, können Elekt-ronen aus ihrem Grundniveau in ein energetisch höheres Niveau angeregt werden. Bei der Rückkehr in ihren Ausgangszustand wird die zugeführte Energie wieder abgegeben, zum Beispiel durch Aussenden von Fluoreszenzlicht. Indem Wissenschaftler dieses Fluoreszenzlicht aufzeichnen, gewinnen sie Aufschluss über die elektronische Orbitalstruktur von Atomen und Molekülen.
Emad Aziz und seine Kollegen haben durch Messungen mit Synchrotronlicht an der Strahlungsquelle BESSY II herausgefunden, dass einige gelöste Stoffe nach Anregung kein Fluoreszenzlicht aussenden. Der im Spektrum negativ erscheinende Peak erwies sich als Beleg dafür, dass die Rückkehr in das Grundniveau strahlungslos über einen sogenannten dunklen Kanal stattfindet, was auch als „dark channel“ bezeichnet wird.
Dies passiert, weil durch Wechselwirkung miteinander die Moleküle der Probe und die des Lösungsmittels gemeinsame Orbitale bilden. Die angeregten Elek¬tronen werden in dieses Orbital transferiert. „Dies funktioniert, weil sich die Molekülorbitale der Ei¬sen¬¬- und der Wasserionen räumlich sehr nahe kommen und energetisch gut zusammenpassen“, erläutert Emad Aziz, Leiter einer Nach-wuchsgruppe am HZB. Die Elektronen verweilen in diesem neuen Niveau länger als in einem normalen Molekülorbital. Ihr Energiezustand verhindert daher die Aussendung des normalerweise zu erwartenden Fluoreszenzlichtes.
Die Dips im Spektrum geben damit Aufschluss über die Art der Wechselwirkung zwischen Probe und Lösungsmittel. In biochemischen Systemen wie zum Bei-spiel Proteinen kann man mithilfe dieses Prozesses nun untersuchen, in wie weit das Lösungsmittel zur Funktionalität beiträgt.
Solche ultraschnellen Vorgänge wie Ladungstransfers lassen sich mit den bisher üblichen Methoden nur mit sehr großem Aufwand beobachten. Nun haben die HZB-Forscher einen Weg gefunden, die Dynamik des Prozesses mithilfe einer einfachen Methode aufzuklären. „Wir können beobachten, wo die Ladungen hinwandern und wir können sehen, dass dies innerhalb von wenigen Femtose-kunden passiert“, betont Emad Aziz. Außerdem hat das Ergebnis große Bedeu-tung für die Interpretation von Röntgenabsorptionsspektren generell. 
Für ihre Experimente hat die Gruppe die selbst entwickelte Fließzelle genutzt, mit der es auch möglich ist, biologische Proben in ihrer natürlichen Umgebung – das heißt, in gelöster Form – mit Röntgenstrahlung zu untersuchen.

Originalarbeit in Nature Materials: DOI: 10.1038/NCHEM.768

IH

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • BESSY II: Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und Katalysatoren
    Science Highlight
    15.09.2026
    BESSY II: Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und Katalysatoren
    Winzige biologische Proben und sogar einzelne Biomoleküle können nun an der BESSY-II-Infrarot-Beamline unter lebensnahen Bedingungen in höchster Auflösung untersucht werden. Die nanoskalige Infrarotspektroskopie (s-SNOM) wurde dafür verbessert und gründlich validiert. Ultradünne Membrane auf Siliziumbasis ermöglichen dabei die Untersuchung im wässrigen Medium. Ein internationales Team um den HZB-Experten Dr. Alexander Veber konnte nach einem ersten Proof-of-Concept nachweisen, dass Nano-IR-Messungen in wässriger Umgebung mit den erwarteten Fernfeld-IR-Spektren übereinstimmen. Dieser methodische Fortschritt ermöglicht nun tiefere Einblicke in Biomaterialien, aber auch die Beobachtung katalytischer Prozesse in flüssigen Umgebungen.
  • Neue Methode zeigt, wie molekulare Schalter von ihren Nachbarn beeinflusst werden
    Science Highlight
    11.09.2026
    Neue Methode zeigt, wie molekulare Schalter von ihren Nachbarn beeinflusst werden
    Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) können erstmals direkt erkennen, wie die Umgebung eines molekularen Schalters dessen elektronische Struktur beeinflusst. Molekulare Schalter sind Moleküle, die sich durch äußere Einflüsse wie Temperaturänderungen zwischen zwei Zuständen umschalten lassen – ähnlich einem Schalter mit den Positionen „An“ und „Aus“. Solche Moleküle werden als mögliche Bausteine für künftige Datenspeicher oder Sensormaterialien erforscht. Mit Hilfe der magnetischen Terahertz-Spektroskopie an BESSY II konnten die Forschenden nun erstmals unterscheiden, ob benachbarte Moleküle in einem Material gleich oder anders geschaltet sind. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ erschienen.
  • BESSY II nimmt Betrieb nach Wartungspause wieder auf
    Nachricht
    10.09.2026
    BESSY II nimmt Betrieb nach Wartungspause wieder auf
    Nach einer vierwöchigen Wartungspause ist der BESSY II-Beschleunigerkomplex seit Montag, 7. September 2026 wieder in Betrieb. BESSY II wird am 22. September den vollen Nutzerbetrieb wieder aufnehmen.