Hochempfindliche IR/UV- und UV/UV-Mehrfachresonanzmethoden, die in Kombination mit der Massenspektrometrie im Molekularstrahl durchgeführt werden, erlauben eine massen-, isomeren- und schwingungsselektive Analyse mikroskopischer Prozesse. Die Untersuchungen an Modellsystemen stellen die Grundlage für das Verständnis der Struktur und der Reaktivität beim Übergang zu größeren Aggregaten (Nanopartikeln, Lösungen) dar.

Ein zentrales Forschungsgebiet ist die Anwendung verschiedener IR/UV-Doppelresonanztechniken zur Untersuchung von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen in Peptiden, wobei insbesondere Aggregate mit β-Faltblattstruktur analysiert werden. Zum einen geht es darum, die Triebkraft zur Ausbildung von Sekundärstrukturmotiven zu ermitteln sowie die Veränderung der Strukturen bei sukzessiver Aggregation mit (anderen) Peptiden oder Wassermolekülen (Mikrosolvatation). Zum anderen sollen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Schrader (Organische Chemie, Universität Duisburg-Essen) optimale Templatmoleküle gefunden werden, die sich an Peptide in der geometrischen Ausrichtung einer β-Faltblattanordnung anlagern. Die Anlagerung der Templatmoleküle soll z.B. die fortschreitende Ausbildung von pathogenen β-Faltblattstrukturen inhibieren. Dieser Mechanismus wird für die Creutzfeldt-Jakob Krankheit oder BSE (Prionenkrankheiten) angenommen. Pathogene β-Faltblattanordnungen werden auch für die Alzheimer Krankheit diskutiert.

Abbildung 1: Es werden Teilstrukturen eines Proteins selektiv analysiert, die besonders relevant für die Wirkung des Proteins sind. Schematisch gezeigt: Ausschnitt eines β-Faltblatt.

Durch Anwendung der massen-, isomeren- und zustandsselektiven IR/UV- und UV/UV-Doppelresonanz-Spektroskopie können über die Frequenz der NH-, CO-, und CH-Streckschwingungen sowohl Aussagen bezüglich der Stärke der intermolekularen H-Brücken als auch über die räumliche Ausrichtung der Peptide gewonnen werden. Zur Untersuchung der rein intermolekularen Wechselwirkungen sind Molekularstrahlmessungen besonders geeignet, da an den isolierten Modellsystemen eine in Bezug auf Masse, Isomerie und Schwingungen selektive Untersuchung einzelner H-Brücken durchgeführt werden kann, ohne z.B.  zusätzliche Banden des Lösungsmittel zu erhalten. Aus den durch unsere Messungen gewonnenen Erkenntnissen über Bindungsstärken und Geometrie der Templat/Peptid-Cluster soll es gelingen, Hinweise auf eine gezielte Synthese neuer Templatmoleküle zu erhalten.

Abbildung 2: Schematischer Aufbau einer Molekularstrahlapparatur mit einem linearen Flugzeitmassenspektrometer (TOF) sowie zwei UV-Lasern und einem oder zwei IR-Lasersystemen für die Spektroskopie. Die zu untersuchenden Moleküle und Cluster werden mittels einer Pulsdüse ins Hochvakuum gebracht, wobei Edelgase als Trägergase dienen. Durch die UV-Laser erfolgt eine resonante Ionisation der untersuchten Spezies, die durch ein elektrisches Feld des TOFs beschleunigt werden und aufgrund ihrer unterschiedlichen Masse und somit Flugzeit im linearen Massenspektrometer zu unterschiedlichen Zeiten auf den MCP-Detektor treffen und daher  größenselektiert werden. Die auf dem MCP Detektor erhaltenen Signale werden zeitaufgelöst auf einem Digitaloszilloskop dargestellt und mittels eines PCs ausgelesen. Durch einen IR-Laser können die OH-, NH-, CO- oder CH-Streckschwingungen der Moleküle angeregt werden. Die Anregung der Schwingungen in den neutralen oder ionischen Grund- und angeregte Zustände wird über die Ab- bzw. Zunahme von Ionensignalen nachgewiesen (s. Publikationsliste und Referenzen in den Artikeln). Bezüglich der Anwendung eines zweiten IR-Lasers, s. Abschnitt zu elektronisch angeregten Zuständen.