Spektroskopie und Elektrokatalyse

Einblicke durch oberflächenverstärkte Spektroskopie

  • Abb. 1: Links sind die verschiedenen elektrokatalytischen Systeme dargestellt. Man unterscheidet zwischen heterogener (a), molekularer (b) und enzymatischer (c) Elektrokatalyse. Rechts ist systematisch der Aufbau einer Brennstoffzelle und eines elektrochemischen Sensors dargestellt.Abb. 1: Links sind die verschiedenen elektrokatalytischen Systeme dargestellt. Man unterscheidet zwischen heterogener (a), molekularer (b) und enzymatischer (c) Elektrokatalyse. Rechts ist systematisch der Aufbau einer Brennstoffzelle und eines elektrochemischen Sensors dargestellt.
  • Abb. 1: Links sind die verschiedenen elektrokatalytischen Systeme dargestellt. Man unterscheidet zwischen heterogener (a), molekularer (b) und enzymatischer (c) Elektrokatalyse. Rechts ist systematisch der Aufbau einer Brennstoffzelle und eines elektrochemischen Sensors dargestellt.
  • Abb. 2: Links ist der Aufbau einer spektro-elektrochemischen Zelle zu sehen, welcher SER spektroskopische Messungen unter realen „Betriebsbedingungen“ erlaubt. Nanostrukturierte Silberelektroden (rechts mit SiO2 beschichtet) verstärken das einfallende Laserlicht an der Metalloberfläche. Berechnungen zeigen besonders hohe Lichtverstärkung für anisotrope Oberflächen und im Zwischenraum  zweier eng benachbarter Nanostrukturen.
  • Abb. 3: Elektrochemische Messungen (rechts oben) zeigen katalytische Aktivität von CDH auf Elektroden bei Zugabe von Lactose und Calcium. SERR Spektren (links) zeigen strukturelle Veränderungen bei Zugabe von Lactose und Calcium. Die Messergebnisse können durch eine Reorientierung des Enzyms (rechts unten) erklärt werden, die den Elektronentransferweg verändert.
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 erhalten. 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 der Substratumwandlung 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.
 
Literatur
[2] Patrycja Kielb, Murat Sezer, Sagie Katz, Francesca Lopez, Christopher Schulz, Lo Gorton, Roland Ludwig, Ulla Wollenberger, Ingo Zebger, Inez M. Weidinger: Spectroscopic Observation of Calcium-Induced Reorientation of Cellobiose Dehydrogenase Immobilized on Electrodes and its Effect on Electrocatalytic Activity, ChemPhysChem 16, 1960-1968 (2015)

TU Berlin
Institut für Chemie -
Optische Spektroskopie an Oberflächen
Berlin

Weitere Beiträge zum Thema Spektroskopie: http://www.git-labor.de/category/tags/Spektroskopie
Allgemeine Information zur Raman Spektroskopie: http://www.raman.de/htmlDE/home/startDe.html

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