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Ion-Specific Effects at Charged Interfaces

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Patrick Koelsch

Abstract
Aqueous ions play a substantial role in many biological and bio-chemical processes. It is assumed that humans spend about 80% of their energy to maintain the concentration gradient for ions in the intra and extra cellular region. The protein secondary structure is triggered by ions present in the environment or the distribution of ions at charged interfaces such as membranes is essential in understanding many biological processes. It was first Hofmeister in 1888 who systematically studied the precipitation of proteins using different simple salts. Since then a diversity of measurements has been performed on ion-specific effects, however, up to now no comprehensive universal theory has been developed, which is able to describe and predict the manifold of ion specificity. One experimental drawback is to assess the ion distribution due to the low length scales. In this contribution a new experimental way of detecting ion distributions at charged interfaces by using non-linear optical surface specific spectroscopy is presented.

Zusammenfassung
Ionen in wässrigen Lösungen spielen eine substantielle Rolle in einer Vielzahl von biologischen und biochemischen Prozessen. Es wird angenommen, dass Menschen bis zu 80% ihrer Energie dazu aufwenden, den Konzentrationsgradienten von Ionen in intra- und extrazellulären Regionen aufrecht zu erhalten. Die Sekundärstruktur von Proteinen wird maßgeblich durch die umgebenden Ionen bestimmt oder die Verteilung von Ionen an geladenen Grenzflächen, wie von Zellmembranen, ist essentiell wichtig für das Verständnis von diversen biologischen Prozessen. Erstmalig untersuchte Franz Hofmeister im Jahre 1888 die eiweißfällende Wirkung unterschiedener einfacher Elektrolyte. Trotz diverser Erkenntnisse, aufgrund von weiteren Experimenten, ist es bislang noch nicht gelungen, eine einheitliche Theorie zu entwickeln, welche die Mannigfaltigkeit der ionenspezifischen Effekte umfasst. Eine Schwierigkeit besteht darin, die kleinen Längenskalen der vorliegenden Ionenverteilung experimentell zu erfassen. In diesem Beitrag wird ein neuer experimenteller Weg aufgezeigt, wie Verteilungen von Ionen an geladenen Grenzflächen mittels optisch nichtlinearer oberflächenspezifischer Spektroskopie erfasst werden können.