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Entwicklung eines neuartigen kryogenen 22-Pol Ionenfallenspektrometers (BerlinTrap) und spektroskopische Analyse von isolierten Flavinionenkomplexen
Günther, Alan
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der spektroskopischen Untersuchung biologisch relevanter Flavinmoleküle in der Gasphase. Experimentelle Ergebnisse, unterstützt durch quantenchemische Rechnungen, ermöglichen es nämlich, die Strukturen wie auch die elektronischen Eigenschaften von Molekülen zu bestimmen.
Die hier gezeigten Ergebnisse beinhalten die ersten spektroskopischen Messungen von isolierten Flavinen. Hierzu werden Infrarot-Multiphotonen-Dissoziations-Spektren (IRMPD) in einem Fouriertransformation-Ionenzyklotronenresonanz-Massenspektrometer von protonierten und metallierten Flavinen bei einer Temperatur von 300 K aufgenommen und analysiert. Die Aggregate werden dabei in einer Elektrospray-Ionisationsquelle erzeugt. Durch die gewonnenen IRMPD Spektren erfolgt, unter Einbezug quantenchemischer Rechnungen, eine detaillierte Analyse der Strukturen, der Energien und der Vibrationseigenschaften dieser ionischen Aggregate. Es zeigt sich, dass die beiden C=O Bindungen, die alle Flavine besitzen, sehr sensitive Marker für die Bindungsstellen von Protonen und Metallionen darstellen. Auch lassen sich Unterschiede zwischen den bindenden Alkali- und Münzmetallionen feststellen. Des Weiteren wird gezeigt, welche Einflüsse die als Unterscheidungsmerkmal der Flavine geltende funktionelle Gruppe auf die jeweilige Bindung der Protonen bzw. Metallionen hat.
Um die Analyse auch auf die elektronischen Eigenschaften auszuweiten, bedarf es hochaufgelöster Spektren im visuellen und ultravioletten Bereich, welche jedoch nur von sehr kalten Ionen erhalten werden können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Messapparatur (BerlinTrap) entwickelt und aufgebaut, in der eine Elektrospray-Ionisationsquelle mit einem Quadrupol-Massenspektrometer, einer auf bis zu 4 K kühlbaren, kryogenen 22-Pol Ionenfalle und einem orthogonal zur Ionenflugrichtung angebrachten Reflektron-Flugzeitmassenspektrometer kombiniert werden. Die im 22-Pol gefangenen Ionen werden mit Hilfe eines Puffergases auf unter 20 K gekühlt. Die Bildung von Solvatationsstrukturen schwach gebundener He(n)H3O+ und He(n)Na+ Komplexe, die Aufnahme des elektronischen Photodissoziationsspektrums der protonierten Aminosäure Tyrosin, sowie Infrarot-Photodissoziationsspektren des protonierten Benzaldehyd-Ar Komplexes werden benutzt, um die Apparatur in Bezug auf die Ionenkühlung, die Möglichkeiten zur Komplexbildung sowie auf die spektroskopischen Eigenschaften hin zu kalibrieren. Abschließend werden Photodissoziationsspektren von protonierten und metallierten Flavinen vermessen und ausgewertet.
The subject of this dissertation is the spectroscopic study of biologically relevant flavin molecules in the gas phase. Experimental results supported by quantum chemical calculations make possible to determine the structures as well as the electronic properties of isolated (ionic) molecules and complexes.
The results presented here include the first spectroscopic measurements of isolated flavins in the gas phase. For this purpose, infrared multiple photon dissociation spectra (IRMPD) of protonated and metalated flavins are taken. The experimental setup is formed by an electrospray ionization source where the aggregates are formed, coupled to a fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer (300 K) and the infrared free electron laser FELIX. By comparing the IRMPD spectra with the results obtained from quantum chemical calculations one gets insight into the structures, energies, and the vibrational behavior of the analyzed ionic aggregates. It is shown that the two C=O bonds are very sensitive markers for protonation and metalation of all flavins. Furthermore, differences in the binding behavior of alkali and coinage metal ions and in the flavins under study are also observed. Since all flavins differ by one functional group, its influence on the preferred protonation and metalation sites is also demonstrated.
To extend the analysis to the electronic properties, highly resolved spectra in the visible and ultraviolet range are needed. Such spectra can only be obtained from very cold ions. This idea motivated the development and construction of a new measurement apparatus as a part of this thesis. In this setup, an electrospray ionization source is coupled to a quadrupole mass spectrometer, a cryogenic 22-pole trap (4 K) and an orthogonal reflectron time of flight mass spectrometer. The ions trapped in the 22-pole are buffer gas cooled below 20 K. The formation of weakly-bound He(n)H3O+ and He(n)Na+ complexes and their solvation shell structure, the electronic photodissociation spectra of the protonated amino acid tyrosine and the infrared dissociation spectra of the protonated benzaldehyde-argon complex are used to calibrate the setup for cooling, tagging and spectroscopic capabilities. Finally, electronic spectra of cryogenically cooled protonated and metalated flavins are measured and analyzed.
