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Dissoziation von biologisch relevanten Molekülen durch Elektronenanlagerung

14.12.2015

Ein neues Anionen-Impulsspektrometer ermöglicht detaillierte Untersuchungen der Dissoziation von Molekülen und hilft damit beim Verständnis eines wichtigen Prozesses, welcher für die Entstehung von Strahlenschäden verantwortlich ist.

Hochenergetische Strahlung erzeugt durch inelastische Stöße mit Atomen und Molekülen in Materie eine Vielzahl von Sekundärelektronen, so auch in menschlichem Gewebe. Viele diese Sekundärelektronen haben Energien unter 10 eV und sind damit zu niederenergetisch um Moleküle zu ionisieren. Bei diesen Energien können die Elektronen sich jedoch an Moleküle anlagern und dadurch zur Dissoziation dieser Moleküle beitragen (Dissoziative Elektronenanlagerung, DEA). Seit die Gruppe um Léon Sanche zeigte, dass die Bildung von Einzel- und Doppelstrangbrüchen in DNA bei Bestrahlung mit Elektronen die gleiche Energieabhängigkeit zeigt wie die Dissoziation einzelner DNA-Bestandteile durch Elektronenanlagerung [1], wird DEA in DNA-Basen und vielen weiteren biologisch relevanten Molekülen untersucht, um die Schädigung von DNA durch hochenergetische Strahlung besser zu verstehen.

Das Anionen-Impulsspektrometer ermöglicht uns die Messung des Impulses der bei der Dissoziation entstehenden negativen Ionen [2]. Dies erlaubt einen genaueren Einblick in die Reaktion als herkömmliche Massenspektrometrie, da hier im Impulsspektrometer beispielsweise über die Winkelverteilung der Fragmente und deren Energie Rückschlüsse auf den Anlagerungsprozess gezogen werden können. So lässt sich das Orbital, in welches das Elektron eingefangen wurde, identifizieren sowie der Zustand, in welchem sich die Fragmente nach der Reaktion befinden. Insbesondere die Anregung von höheren elektronischen Zuständen oder Vibrationszuständen in den Fragmenten ist für die das Verständnis der Strahlenschäden wichtig, da diese Reaktionsprodukte in der direkten Umgebung weitere Schäden verursachen können.

Das Anionen-Impulsspektrometer wurde bisher eingesetzt um die Dissoziation von Wasser und Ammoniak detaillierter zu vermessen, als dies bisher möglich war. Die Verbesserungen gegenüber anderen Experimenten dieser Art wurden unter anderem durch den Einsatz einer Photoemissions-Elektronenquelle ermöglicht, welche eine höhere Energieauflösung erreicht als thermische Elektronenquellen sowie durch einen Überschallgasjet welcher die untersuchten Moleküle stark kühlt und so exaktere Impulsmessungen erlaubt. Beide Verbesserungen sind darauf ausgelegt die Menge der untersuchbaren Produkte um schwerere und langsamere Fragmente zu erweitern, welche bei der Dissoziation größerer Moleküle entstehen.

Abb.: Beispiele für aufgenommene Impulsübertragsbilder. Links: Impulsverteilungen von NH2- nach Dissoziation von Ammoniak bei 5,5 eV Projektilenergie. Rechts: Impulsverteilung von O- nach Dissoziation von Wasser bei 11,5 eV Projektilenergie. Hier ist zu erkennen, dass die Dissoziation von Wasser über zwei verschiedene Pfade verläuft, für die das Ion mit mehr bzw. weniger Impuls erzeugt wird. Die ursprüngliche Flugrichtung des Projektilelektrons ist in beiden Bildern von links nach rechts.

Literatur

  1. B. Boudaïffa et al., Science 287, 1658 (2000)
  2. D. Nandi et al., Rev. Sci. Intrum. 76, 053107 (2005)