Materialprüfung durch die Dynamik des Wassernetzwerkes

Aufgespürt durch Terahertz-Spektroskopie

  • Abb. 1: Während der Bindung von Enzym und Substrat zum sog. Michaelis-Komplex verändert sich die Wasserdynamik. Die Wasserstoffbrückenbindungen brechen am aktiven Zentrum deutlich langsamer auf (hellblau) als bei normalem Restwasser (rot). Zudem verlangsamen sich bei der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes die Wassernetzwerkbewegungen weitreichend im Umfeld des Substrats (hellblau bis dunkelblau) [3].Abb. 1: Während der Bindung von Enzym und Substrat zum sog. Michaelis-Komplex verändert sich die Wasserdynamik. Die Wasserstoffbrückenbindungen brechen am aktiven Zentrum deutlich langsamer auf (hellblau) als bei normalem Restwasser (rot). Zudem verlangsamen sich bei der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes die Wassernetzwerkbewegungen weitreichend im Umfeld des Substrats (hellblau bis dunkelblau) [3].
  • Abb. 1: Während der Bindung von Enzym und Substrat zum sog. Michaelis-Komplex verändert sich die Wasserdynamik. Die Wasserstoffbrückenbindungen brechen am aktiven Zentrum deutlich langsamer auf (hellblau) als bei normalem Restwasser (rot). Zudem verlangsamen sich bei der Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes die Wassernetzwerkbewegungen weitreichend im Umfeld des Substrats (hellblau bis dunkelblau) [3].
  • Abb. 2: THz-Spektren (Absorptionskoeffizient α) von 3 gebräuchlichen gelben/orangen Farbstoffen. Die Spektren unterscheiden sich signifikant.
  • Abb. 3: FTIR Spektren von echtem und gefälschtem Ompeprazol bei 5 bis 8 THz.
  • Abb. 4: Links ist ein Foto der Objekte zu sehen, die mit dem SynviewScanner bei 0,3 THz (rechtes Bild) in Reflexion untersucht wurden. Das Bild in der Mitte zeigt eine der Schnittebenen des Scans.

Terahertz(THz)-Spektroskopie ist eine vielversprechende Methode für Grundlagenuntersuchungen der Wasserdynamik (Wechsel der H-Brücken), die die Identifizierung und Validierung pharmazeutischer Substanzen sowie zerstörungsfreie Materialprüfungen ermöglicht. Im Rahmen dieses Artikels werden beispielsweise sowohl gefälschte Medikamente entlarvt als auch zerstörungsfrei und berührungslos die Inhalte von verpackten Medikamenten bestimmt.

Als THz-Spektrum gilt gemeinhin das elektromagnetische Licht im Frequenzbereich zwischen 0,1 THz und 10 THz, also Wellenlängen zwischen 3 mm (0,1 THz) und 30 μm (10 THz) und liegt somit zwischen dem Mikrowellen- und Infrarotbereich. Die Untersuchungen mittels THz-Wellen liefern für zahlreiche Materialien spezifische Informationen (Fingerabdrücke), die in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums nicht verfügbar sind. Zudem sind viele Materialien für THz-Strahlung transparent, z. B. Papier, Holz, Textilien und Kunststoffe.

Die Dynamik des Wassernetzwerkes
Wassermoleküle (H2O) werden durch Wasserstoffbrücken- Bindungen miteinander verbunden, also zusammengehalten. Diese Verbindungen sind aber nicht starr, sondern hochdynamisch. Die Wasserstoffbrücken- Bindungen zwischen den H2O-Molekülen in normalem Wasser bei Raumtemperatur (dem sogenannten bulk water) sind im Mittel für 1 Pikosekunde (< 10-12 Sekunden, also weniger als ein Millionstel eines Millionstels einer Sekunde) gebunden. In diesem sogenannten piko-Sekunden-Bereich (ps) finden also permanent kollektive Bewegungen durch Lösen und Neuentstehen von Wasserstoffbrücken- Bindungen statt. Diese Bewegungen verändern sich in der Nähe von anderen Partnern, z. B. Proteinen. Es zeigt sich, dass die Bewegungen im Wassernetzwerk durch das (die) Biomolekül(e) spezifisch verändert werden. Umgekehrt beeinflusst das umgebende Wasser die Form, Funktion und Dynamik des(der) Biomolekül(e) [1]. Die Wasserdynamik nahe dem Biomolekül wird verlangsamt [2]. So entsteht um das Biomolekül herum eine, je nach Größe, Zustand und Aufbau des Biomoleküls, in ihrer Dynamik veränderte Hülle aus Wassermolekülen.

Dies spielt eine wichtige Rolle für die Funktion der Biomoleküle, z. B. für die Effizienz von enzymatischen Reaktionen (Abb. 1) [3].

Weitere Untersuchungen an Antifreeze- Proteinen (AFP`s) zeigen, dass die Veränderungen der schnellen Wasserbewegungen im Bereich der umgebenden Hülle eine wichtige biologische Rolle spielen. Die Verlangsamung ist am stärksten in direkter Nähe der Eis-Bindungs-Zone des AFP [4]. Diese Effekte zu kennen und zu erforschen ist wichtig um z. B. AFP`s für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, Technik und der Medizin sowie für Medikamente weiter entwickeln zu können [5,6].

Identifikation gefälschter Medikamente
THz-Wellen erfassen auch niedrig-frequente Kristallgitter-Schwingungen und andere Schwingungsmoden von Biomolekülen und anderen Materialien und damit auch die Wirkstoffe von Medikamenten [7]. Viele Stoffe (Moleküle) enthalten also spektrale Informationen im THz-Bereich anhand derer diese Stoffe eindeutig identifiziert werden können, den sogenannten THz-Fingerabdruck. Für die Herstellung von Tabletten (Medikamenten) werden beispielsweise zahlreiche Farbstoffe genutzt, um die Umhüllung oder die ganze Tablette einzufärben. Je nach Konzentration und Farbe der Grundsubstanz sind eingefärbte originale Tabletten mit dem bloßen Auge anhand der Färbung und Form/Größe nicht oder nur schwer von Fälschungen zu unterscheiden. THz-Spektroskopie kann dazu dienen, Tabletten in ihrer Verpackung anhand des spezifischen THz-Fingerabdrucks zu identifizieren, zu markieren und ggf. von gefälschten oder nachgeahmten Medikamenten zu unterscheiden.

In dieser Studie wurden gelbe/orange Farbstoffe (curcumin, riboflavin, sunset yellow) mittels THz-TDS (time-domain-Spektroskopie) im Frequenzbereich von 0,3 bis 1,8 THz untersucht. Die aufgenommenen Spektren sind in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Farbstoffe sehr gut unterscheidbar sind. Dies kann z. B. genutzt werden um gefälschte Medikamente von Originalen zu unterscheiden.

Mittels FTIR-Spektroskopie (Fourier-Transform- Infrarotspektroskopie) konnten im THz- Bereich (5 – 8 THz) Fälschungen und Originale des Omeprazol untersucht werden (Omeprazol ist ein Protonenpumpenhemmer der sehr häufig verordnet wird, z. B. bei Geschwüren des oberen Verdauungstraktes). Die Verpackungen und Kapseln waren visuell ohne zusätzliche Hinweise nicht unterscheidbar. Der Inhalt der Kapseln wurde gemahlen, zu Scheiben gepresst und dann in Transmission mittels FTIR untersucht. Die Ergebnisse (s. Abb. 3) zeigten signifikante Unterschiede zwischen dem Inhalt der originalen (Genuine) und der gefälschten (Counterfeit) Kapseln. Eine Unterscheidung war eindeutig möglich.

THz-Imaging und zerstörungsfreie Materialprüfung
Materialien wie Kunststoffe, Papier und Holz sind für THz-Wellen transparent. Dies ermöglicht die „Durchleuchtung“ von Kunststoffteilen, z. B. Schweißnähten von Kunststofftanks. Damit ist es innerhalb der Qualitätskontrolle möglich, Fehlstellen zu erkennen, ohne die Bauteile zerstören zu müssen.

Mittels eines THz-Scanners haben wir verschiedene übliche Verpackungen und Materialien in Reflexion bei 0,3 THz untersucht. Durch den Vergleich von Foto und Scan (Abb. 4) erkennt man, dass sich in der Tabletten-Packung (links oben) auch ein Blister mit Tabletten befindet.

Danksagung
Die Arbeiten zur Hydratation und AFP wären nicht möglich gewesen ohne die Finanzierung im Rahmen des Human Frontier Science Programms (HFSP) und der VWStiftung. Sie wurden in Kooperation mit der Gruppe von Martin Gruebele, David Leitner und Irit Sagi erstellt und die Ergebnisse im Rahmen zahlreicher Promotionen erarbeitet. Insbesondere sind hier die Arbeiten von S. Ebbinghaus, B. Born, M. Heyden und T. Q. Luong zu nennen. Die Untersuchung der Medikamente wurde unterstützt durch das BlisterCenter Aschaffenburg, Dr. E. Henke, das Institut für Pharmazie und Biochemie Mainz, Prof. Langguth, S. Fütterer und im Rahmen des Ziel2.nrw Programms mit Mitteln der EU und des Landes NRW gefördert.

Literatur
[1] Pal S. K. et al.: J. Phys. Chem. B 106, 12376- 12395 (2002)
[2] Born B. et al.: Faraday Discuss. 141, 161-173 (2009)
[3] Grossman M. et al.: Nat. Struct. Mol. Biol. 18, 1102-1108 (2011)
[4] Meister K. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 1617-1622 (2013)
[5] King. A. G.: J. Chem. Education 86, 12-15 (2009)
[6] Venketesh S. und Dayananda. C.: Crit. Rev. Biotechnol. 28, 57-82 (2008)
[7] Davies A. G. et al.: Materials Today 11, 18- 26 (2008)

Grundlagen der Terahertz-Spektroskopie: http://bit.ly/THz-Spek
Mehr Arbeiten der Autoren: http://bit.ly/Soetebier

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