Beispiele für oberflächenverstärkte resonanz Raman Spektroskopie © I. Weidinger

Spektroskopie und Elektrokatalyse

Die Effizienz und Selektivität vieler Sensoren und Brennstoffzellen beruht auf elektrokatalytischen Prozessen. Gute Katalysatoren senken nicht nur die Aktivierungsenergie für eine Reaktion möglichst weit herab, sondern begünstigen („katalysieren“) sehr spezifisch nur eine bestimmte Reaktion....

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Spektroskopie und Elektrokatalyse

Die Effizienz und Selektivität vieler Sensoren und Brennstoffzellen beruht auf elektrokatalytischen Prozessen. Gute Katalysatoren senken nicht nur
die Aktivierungsenergie für eine Reaktion möglichst weit herab, sondern begünstigen
(„katalysieren“) sehr spezifisch nur eine bestimmte Reaktion. In der Elektrokatalyse finden solche katalytischen Prozesse auf leitfähigen Oberflächen statt und sind
mit Elektronentransferprozessen gekoppelt. Eingebaut als Arbeitselektrode in eine elektrochemische Zelle sind diese Katalysatoren somit in der Lage eine direkte Umwandlung von elektrischer in chemische Energie und umgekehrt möglich zu machen.
Der Aufbau eines elektrochemischen Sensors und der einer Brennstoffzelle ist im
Prinzip gleich, jedoch verläuft die Reaktion mit umgekehrten Vorzeichen. Bei Sensoren
wird eine externe Spannung an die Arbeitselektrode angelegt und der resultierende
Strom gemessen. Ist ein bestimmtes Molekül („Substrat“) vorhanden, wird dieses katalytisch umgesetzt und die Stromstärke erhöht sich. Die sehr spezifische Substratumwandlung von Enzymen ist hier von Vorteil, da so sehr kleine Mengen eines ganz bestimmten Moleküls nachgewiesen werden können. Bei Brennstoffzellen werden umgekehrt Moleküle als Brennstoff hinzugefügt und an den beiden Elektrode in jeweilig energetisch niedrigere Produkte umgewandelt. Die chemische Reaktionsenergie, welche bei diesen exothermen Reaktionen frei wird, kann direkt für den Aufbau einer elektrischen Spannung verwendet werden. Bei der Wahl des Katalysators wird zwischen heterogenen, molekularen und enzymatischen Katalysatoren unterschieden. Die
höchste intrinsische katalytische Effizienz und Selektivität wird generell von Enzymen
erreicht. Aus diesem Grund wären sie ideal für Sensoren und Brennstoffzellen geeignet.
Allerdings neigen sie dazu auf Metalloberflächen zu denaturieren und verlieren damit
ihre katalytische Aktivität. Ihre Anwendung wird weiterhin durch unter Umständen schlechte elektrische Kommunikation zwischen Elektrode und katalytischem Zentrum limitiert. Um der Denaturierung vorzubeugen, muss die Metallelektrode mit einem
biokompatiblen Material beschichtet werden. Die Anbindung des Enzyms an die Oberfläche kann durch die Wahl der Beschichtung beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, für jedes Enzym individuell die beste Oberflächenmodifikation herauszufinden. Von großem Vorteil ist es hierbei, die Orientierung des Enzyms auf der Oberfläche zu kennen und die Elektronentransferwege während der Katalyse nachvollziehen zu können. Ebenso ist es wichtig Strukturänderungen
oder partielle Inaktivität des Enzyms nach der Anbindung zu identifizieren. Dies macht
Messmethoden erforderlich, die gleichzeitig Informationen über die Struktur und die
Funktionalität des Enzyms auf der Elektrodenoberfläche geben.
 

Kombination von Elektrochemie und SERS


Die elektrokatalytische Aktivität wird in der Regel durch elektrochemische Messungen bestimmt. Diese Technik gibt Auskunft über die durchschnittliche „Performance“
des Systems, aber man kann mit ihr nur sehr eingeschränkt strukturelle Informationen über den oberflächengebundenen Katalysator geben. Diese sind allerdings
dringend notwendig um prinzipielle Muster zu erkennen, die die Effizienz des Systems
kontrollieren. Im Gegensatz dazu sind spektroskopische Methoden sehr gut für Strukturuntersuchungen geeignet. Die Raman Spektroskopie beispielsweise betrachtet
das an einem Molekül inelastisch gestreute Licht und gibt damit Auskunft über dessen
Schwingungsmoden. Mittels dieser Methode können sehr gut Zustandsänderungen,
beispielsweise des Oxidationszustandes oder Bindungsgrades, aufgezeigt werden.
Leider ist die Raman Spektroskopie aber nicht sensitiv genug, um die wenigen Moleküle zu detektieren, die auf der Oberfläche gebunden sind. Eine lokale Erhöhung
der Sensitivität für oberflächengebundene Moleküle ist bei der oberflächenverstärkten Raman Spektroskopie (SERS) gegeben. Hierbei wird ausgenutzt, dass nanostrukturierte Edelmetalle wie Gold oder Silber bei Laserbestrahlung die Lichtintensität an der
Metalloberfläche verstärken, was wiederum zu einer Verstärkung des Raman Signals von adsorbierten Molekülen führt. Die Morphologie der Oberfläche bestimmt die frequenzabhängige Intensität der Lichtverstärkung. Durch Berechnungen kann gezeigt werden, dass stark anisotrope Strukturen mit kleinen Zwischenräumen eine besonders hohe lokale Lichtverstärkung besitzen (Abb. 2). Betrachtet man komplexe Systeme wie Proteine hat die SER Spektroskopie noch einen weiteren Vorteil, da hier durch gezielte Wahl der einfallenden Wellenlänge selektiv das Raman Signal bestimmter Zentren des Moleküls verstärkt werden kann. Dieser als Resonanz Raman bekannte Effekt tritt dann auf, wenn die Frequenz des einfallenden Lichtes einem elektronischen Übergang des Zielmoleküls entspricht. Enzyme mit Metallzentren zeigen häufig elektronische Übergänge des Metallkomplexes im sichtbaren Lichtbereich, während das Proteinrückgrat diese erst im UV Bereich besitzt. Die Kombination von oberflächenverstärkter Raman Spektroskopie mit der Resonanz Raman Spektroskopie (SERRS) macht es somit möglich einzelne aktive Zentren von oberflächengebundenen Enzymen zu untersuchen [1].

Anwendungsbeispiel: Cellobiose Dehydrogenase


Die Erkenntnisse, die bei kombinierter Messung von Elektrochemie und SERS erhalten werden können, sollen anhand des Enzyms Cellobiose dehydrogenase (CDH)
verdeutlicht werden. Dieses Enzym katalysiert die Oxidation von Cellobiose zu
Cellobiono-1,5-lacton. Da es weiterhin eine ganze Reihe von anderen Kohlenhydraten
umsetzt, ist es als Katalysator in Biomasse Brennstoffzellen sehr interessant. Bei derSubstratumwandlung werden zwei Elektronen erzeugt, die bei Transfer zur Elektrode
dafür verwendet werden können, eine elektrische Spannung zu erzeugen. Entscheidend für die Funktionalität einer solchen Biobrennstoffzelle ist der effiziente Abtransport der Elektronen vom katalytischen Flavin Zentrum zur Elektrode hin. Da dieses
Problem auch unter natürlichen Bedingungen in Lösung auftritt, besitzt CDH eine
flexible Untereinheit mit einem Häm Zentrum. Dieses nimmt ein Elektron nach dem
anderen kurzzeitig auf und gibt es an einen externen Elektronenakzeptor weiter. Durch
diesen sehr flexiblen „shuttle-service“ ist es möglich, eine hohe elektrokatalytische
Aktivität von CDH auf Elektroden zu erreichen. Zugabe von Calcium Ionen erhöht die
Effizienz des Systems, der Grund hierfür ist aber nicht bekannt.
In dem hier beschriebenen Beispiel wurde CDH auf eine Polymerbeschichtete Elektrode
adsorbiert [2]. Elektrochemische Messungen zeigen einen katalytischen Strom bei Zugabe von Lactose, der sich bei weiterer Zugabe von Calcium zu negativeren Potentialen hin verschiebt (Abb. 3 rechts oben). Da es sich hierbei um einen anodischen Prozess handelt (Elektronen werden an die Elektrode abgegeben), entspricht eine solche Verschiebung einer höheren Effizienz der CDH basierten Brennstoffzelle. SERRS Messungen mit violettem Laserlicht zeigen selektiv die Porphyrin-Schwingungen des Häms (Abb. 3 links). Zugabe von Lactose bewirkt eine Strukturveränderung des Häms welche darauf hindeutet, dass dieses am Elektronentransfer beteiligt ist. Bei Zugabe von Calcium bleibt die Struktur des Häms gleich, verliert aber an Intensität. Da die Lichtverstärkung stark distanzabhängig ist, deutet dieser Intensitätsrückgang darauf hin, dass das Häm sich von der Elektrode weg bewegt. Ebenso zeigt der
Vergleich zwischen Spektroskopie und Elektrochemie, dass unter bestimmten Konditionen ein geschlossener katalytischer Zyklus erreicht werden kann, der das Häm unbeteiligt lässt. Durch die Kombination beider Methoden ist es so möglich Bewegungen
des Enzyms auf der Oberfläche nachzuvollziehen und die Auswirkungen auf den Elektronentransferweg zu analysieren: Im Falle von CDH bewirkt die Zugabe von Calcium eine Reorientierung der Häm Domäne weg von der Elektrode und näher zum katalytischen Flavin Zentrum hin (Abb. 3 rechts unten). Diese Umorientierung des Enzyms auf der Oberfläche bewirkt, dass ein effizienterer Elektronentransferweg erreicht werden kann, der bereits bei negativeren Potentialen aktiviert ist.


Zusammenfassung


Die Kombination von oberflächenverstärkter Spektroskopie mit elektrochemischen
Verfahren macht es möglich die Effizienz einer oberflächengebunden Reaktion mit
Strukturänderungen des Moleküls zu verbinden. Wir verwenden diese Methode um
elektrokatalytische Prozesse, speziell von Enzymen, auf Elektroden zu verstehen. Mit
den gewonnenen Erkenntnissen ist es möglich elektrochemische Geräte, wie Sensoren
und Brennstoffzellen, zu optimieren.


Referenzen
[1] Sezer M. et al.: IUBMB Life 64(6), 455-464
(2012)
[2] Kielb P. et al.: ChemPhysChem 16, 1960-
1968 (2015)