Combined vibrational spectroscopy and electrochemistry for studying biological and materials systems
| dc.contributor.advisor | Hildebrandt, Peter | |
| dc.contributor.author | Querebillo, Christine Joy Uy | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Hildebrandt, Peter | |
| dc.contributor.referee | Kneipp, Janina | |
| dc.date.accepted | 2019-03-14 | |
| dc.date.accessioned | 2020-02-21T07:43:35Z | |
| dc.date.available | 2020-02-21T07:43:35Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | In this thesis, combined vibrational spectroscopy and electrochemistry is applied to investigate two different projects in biological and materials sciences. In the biological project on the putative hemoprotein redox sensor MsmS(-sGAF2) from M. acetivorans, resonance Raman (RR) spectroscopy reveals that a six-coordinated low spin (6cLS) and a five-coordinated high spin (5cHS) state is the prevailing configuration in the oxidized and reduced state, respectively. Comparative studies on engineered variants showed that H702 is most likely the proximal axial ligand which serves as a potent hydrogen-bond donor to a nearby amino acid residue. This conclusion is based on the relatively low frequency and the H/D sensitivity of the ν4 mode of the 5cHS ferrous heme, as well as the upshift of the ν4 mode of the 5cHS form in the reduced state of the H702 mutant variants (H702G, K661G/H702G, and H702/708G). The findings are consistent to those for the analogous protein MA0863 for which similar effects on the ν4 mode have been observed. An increased amount of heme groups in the 5cHS configuration was noted when polar amino acid residues of MsmS-sGAF2 in the distal region were mutated (Y665F and H646A). Temperature-dependent RR spectroscopy revealed that the 6th ligand acts as a strong ligand as reflected by the gradual decrease in the 5cHS/6cLS ratio with increasing temperatures. An energy-minimized structural model confirmed that the distal pocket region with its polar residues can accommodate a small polar molecule. These studies suggest that the second-coordination sphere plays an important role for MsmS’s ligand-binding function, which could influence the heme redox state. Using surface-enhanced resonance Raman (SERR) spectroscopy and infrared absorption spectroscopic techniques, MsmS-sGAF2 was found to display redox reversibility accompanied by reversible conformational changes. SERR spectroscopic redox titration of MsmS-sGAF2 immobilized on 8-aminooctanethiolate|roughened silver yielded midpoint potentials (Emidpt) for the Fe3+/2+ transition of -0.28 V (vs. Ag/AgCl, 3 M KCl) and -0.29 V for the redox transitions of 5cHS and 6cLS species for the aerobic BL21(DE3) E. coli preparation, respectively, as well as -0.32 V and -0.20 V for the 5cHS and 6cLS species for the anaerobic Nissle 1917 E. coli preparation, respectively. The average values (5cHS+6cLS) are similar to that obtained from cyclic voltammetry of the anaerobic preparation, Emidpt = -0.297 V. In the materials system, anodized titania nanotubes (TiO2-NTs) with inherently different localized electric field (EF) enhancement properties (TiO2-NT|low and TiO2-NT|high for low and high EF enhancements, respectively; TiO2-NT|high|BD-PATP or TiO2-NT|low|BD-PATP for the electrodes deposited with the dye, benzidine-p-aminothiophenolate (BD-PATP)) were used as substrate for the laser-induced photocatalytic degradation of BD-PATP, which was resolved using time-dependent SERR spectroscopy. The degradation rate constant for TiO2-NT|high|BD-PATP, 5.1 (1.4) s-1, is ~70 % higher than the one measured for TiO2-NT|low|BD-PATP, 3.0 (0.6) s-1. Applying an external potential of +0.4 V, resulted in a significantly higher (~2.5 times) rate constant for the decay of TiO2-NT|high|BD-PATP, 25.5 (5) s-1, vs. of TiO2-NT|low|BD-PATP, 10.1 (3) s-1 indicating an improved performance of TiO2-NT|high vs. TiO2-NT|low. Degradation was found to depend on the excitation at 413 nm indicating a degradation pathway involving the excited state of the dye and no contributions from the charges of the TiO2-NTs. Low-frequency Raman measurements at 488 nm show that the Eg mode of the TiO2-NT|high is downshifted compared to that of TiO2-NT|low (145.5 cm-1 vs. 147.3 cm-1) indicative of possible size-dependent charge-transfer surface enhancement of the Raman signals. The high capacitance values from electrochemical impedance spectroscopy data obtained at negative potentials reveal the poor electron-acceptor character of TiO2-NTs at these potentials possibly due to proton/cation intercalation, which increases the injected electron-oxidized dye recombination rate. On the other hand, the lower capacities of TiO2-NTs at positive potentials and of TiO2-NT|high relative to TiO2-NT|low, reveal their improved electron-accepting capabilities at higher potentials, necessary for efficient surface-to-bulk electron transport. Based on this, the higher decay rate for TiO2-NT|high at +0.4 V can be justified by a combined effect of better electron-accepting property and photon-capturing ability of the material. | en |
| dc.description.abstract | In dieser Arbeit wird kombinierte Schwingungsspektroskopie und Elektrochemie verwendet, um biologische und materialwissenschaftliche Fragenstellungen zu untersuchen. In dem biologischen Projekt über MsmS (-sGAF2) von M. acetivorans, welches vermutlich ein Hämoprotein-Redox-Sensor ist, zeigen die Resonanz-Raman (RR) spektroskopische Untersuchungen, dass ein sechsfach koordinierter low-spin (6cLS) und ein fünffach koordinierter high-spin (5cHS) Zustand die vorherrschende Konfiguration im oxidierten bzw. reduzierten Zustand der Häm-Gruppe ist. Vergleichsstudien mit Mutanten zeigten, dass H702 höchstwahrscheinlich der proximale axiale Ligand ist, welche darüber hinaus eine Wasserstoffbrücke zu einem nahegelegenem Aminosäurerest aufweist. Diese Schlussfolgerung basiert auf der relativ niedrigen Frequenz und der H/D-Empfindlichkeit des ν4-Mode des reduzierten 5cHS- Häms sowie auf dem Hochverschiebung der ν4-Mode des reduzierten 5cHS-Häms der H702-Mutant (H702G, K661G/H702G und H702/708G). Die Ergebnisse stimmen mit denen für das analoge Protein MA0863 überein, für das ähnliche Effekte für die ν4-Mode beobachtet wurden. Eine erhöhte Menge an Häm-Gruppen in der 5cHS-Konfiguration wurde festgestellt, wenn polare Aminosäurereste von MsmS-sGAF2 im distalen Bereich mutiert wurden (Y665F und H646A). Temperaturabhängige RR-Messungen zeigten, dass der sechste Ligand ein starker Ligand ist, was sich in einer allmählichen Abnahme des 5cHS/6cLS-Verhältnisses mit steigender Temperatur widerspiegelt. Ein energieminimiertes Strukturmodell bestätigte, dass im distalen Taschenbereich mit polaren Resten ein kleines polares Molekül aufnehmen kann. Diese Studien legen nahe, dass die zweite Koordinationssphäre eine wichtige Rolle für die Ligandenbindungsfunktion von MsmS spielt, die den Häm-Redoxzustand beeinflussen könnte. Oberflächenverstärkte Resonanz-Raman (SERR) und Infrarotspektroskopie zeigten, dass MsmS-sGAF2 reversible Redox- und Konformationübergänge aufweist. SERR-spektroskopische Redoxtitration von MsmS-sGAF2 immobilisiert auf 8-Aminooctanthiolat-immobilisiertem Silberelektroden ergab ein Redoxpotential für den Fe2+/3+-Übergang (Emidpt) von -0,28 V (gegenüber Ag/AgCl, 3 M KCl) bzw. -0,29 V für die Redoxübergänge der 5cHS- und 6cLS-Spezies für das aerobe BL21 (DE3) E. coli-Präparat, sowie -0,32 V bzw. -0,20 V für die 5cHS- und 6cLS-Spezies für das anaerobe Nissle 1917 E. coli-Präparat. Die Durchschnittswerte (5cHS+6cLS) sind ähnlich zu den elektrochemisch bestimmten Emidpt = -0,297 V) für die anaerobe Präparation. Im materialwissenschaftlichen Projekt wurden mittels zeitaufgelöster SERR-Spektroskopie die Anwendbarkeit von anodisierte Titanoxid-Nanoröhren (TiO2-NTs) mit inhärent unterschiedlichen Eigenschaften für die Verstärkung von lokalisierten elektrischen Feldern (TiO2-NT|low und TiO2-NT|high für niedrige bzw. hohe Feldverstärkung; TiO2-NT|high|BD-PATP oder TiO2-NT|low|BD-PATP für die Elektroden abgeschiedenen mit dem Farbstoff Benzidin-p-Aminothiophenolat (BD-PATP)) als Substrat für laserinduzierte photokatalytischen Abbau des Farbstoffs Benzidin-p-aminothiophenolat (BD-PATP) untersucht. Die für TiO2-NT|high|BD-PATP, 5,1 (1,4) s-1, gemessene Konstante der Abbaurate ist ~70 % höher als die für TiO2-NT|low|BD-PATP, 3,0 (0,6) s-1. Anlegen eines externen Potentials von +0,4 V führte zu einer signifikant höheren (2,5-fachen) Geschwindigkeitskonstanten für TiO2-NT|high|BD-PATP, 25,5 (5) s-1, gegenüber TiO2-NT|low|BD-PATP, 10,1 (3) s-1 und zeigt die verbesserte photokatalytische in Anwesenheit von elektromagnetischer Feldverstärkung nahe der Reaktionsoberfläche. Die photokatalytische Aktivität war auf eine elektronische Anregung bei 413 nm beschränkt, was auf einen Abbauweg hindeutet, der den angeregten Zustand des Farbstoffs und keine Beiträge von Ladungen der TiO2-NTs beinhaltet. Niederfrequente Raman-Messungen bei 488 nm zeigen, dass die Eg-Mode von TiO2-NT|high im Vergleich zu TiO2-NT|low heruntergeschaltet ist (145,5 cm-1 vs. 147,3 cm-1), was auf eine mögliche größenabhängige, ladungsübertragende Oberflächenverstärkung der Raman-Signale hindeutet. Die bei negativen Potentialen gemessenen hohen Kapazitätswerte mittels Impedanzspektroskopie zeigten den schlechten Elektronenakzeptorcharakter von TiO2-NTs bei diesen Potentialen. Möglicherweise ist dies auf Proton/Kation-Interkalationseffekt zurückzuführen, was die Rekombinationsrate von injiziertem Elektron und oxidiertem Farbstoff erhöht. Andererseits wiesen die niedrigeren Kapazitäten von TiO2-NT bei positiven Potentialen und von TiO2-NT|high im Vergleich zu TiO2-NT|low auf verbesserten Elektronenakzeptor-Charakter bei höheren Potentialen hin, welcher besonders förderlich für einen effizienten Weitertransport der Elektronen von der Oberfläche zum Inneren hin ist. Auf dieser Grundlage kann die höhere Zerfallsrate für TiO2-NT|high bei +0,4 V durch einen kombinierten Effekt aus besseren Elektronenakzeptoreigenschaften und der Fähigkeit des Materials, Photonen einzufangen, gerechtfertigt werden. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10682 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9585 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 541 Physikalische Chemie | de |
| dc.subject.other | vibrational spectroscopy | en |
| dc.subject.other | electrochemistry | en |
| dc.subject.other | Methanosarcina acetivorans | en |
| dc.subject.other | photocatalysis | en |
| dc.subject.other | titanium dioxide nanotubes | en |
| dc.subject.other | Schwingungsspektroskopie | de |
| dc.subject.other | Elektrochemie | de |
| dc.subject.other | Photokatalyse | de |
| dc.subject.other | Titandioxid-Nanoröhren | de |
| dc.title | Combined vibrational spectroscopy and electrochemistry for studying biological and materials systems | en |
| dc.title.translated | Kombinierte Schwingungsspektroskopie und Elektrochemie zur Untersuchung biologischer und materieller Systeme | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Chemie::FG Physikalische Chemie / Biophysikalische Chemie | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Physikalische Chemie / Biophysikalische Chemie | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Chemie | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |