In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten des Oberflächenproteins (Surface (S)-Layer) des Bacillus sphaericus NCTC 9602 auf einem SiOx-Substrat mittels Photoemission (PE) und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht. Sowohl die PE-Daten als auch die Nahkantenabsorptionsspektren (NEXAFS) sind in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit der erwarteten elektronischen Struktur des S-Layers, was auf eine weitgehende Stabilität des Systems gegenüber den Messbedingungen (Vakuum, Röntgenstrahlung) hindeutet. Mittels resonanter Photoemission war es möglich, die einzelnen Valenzbandstrukturen individuellen chemischen Bindungen zuzuordnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten von Participator- und Spectator- Übergängen konnte ferner die Zeitskala für Elektronenhüpfprozesse innerhalb des LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) zu 100 fs abgeschätzt werden, was in guter Übereinstimmung mit einem in der Literatur vorgeschlagenen, auf Drehschwingungen basierenden Transportmechanismus ist. Der S-Layer wurde im folgenden als Templat für die Erzeugung von Metallclustern genutzt, die sich bei physikalischer Deposition reiner Metalle (Ag, Co) ausbilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich im Fall nominaler Silberbedeckungen im Monolagenbereich Cluster von der Größe einiger nm bilden, die sich auf einem quadratischen Übergitter mit einer Kantenlänge von 14 nm anordnen. Die spektroskopischen Daten weisen die Sauerstoffatome der Peptidketten als wahrscheinlichste Adsorptionsplätze aus. Während die Ag-Cluster sich weitgehend nicht-reaktiv verhalten, zeigen Co-Cluster deutlich stärkere Wechselwirkung mit dem Templat. Unter Nutzung eines im NEXAFS-Mode betriebenen Photoelektronenmikroskops (PEEM) wurde schließlich die Schädigung reiner und Cluster bedeckter S-Layer bei intensiver Röntgenbestrahlung untersucht. Die Schädigung ist im Fall der Clusterbedeckung deutlich niedriger als bei reinen Oberflächen. Ein nur auf Abschattung des Templats durch die Cluster beruhendes Modell beschreibt die spektroskopischen Daten jedoch nicht zufriedenstellend. Vielmehr müssen Schädigungen des Templats durch Elektronen, die infolge Röntgenabsorption innerhalb der Cluster generiert werden, mit berücksichtigt werden.

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten des Oberflächenproteins (Surface (S)-Layer) des Bacillus sphaericus NCTC 9602 auf einem SiOx-Substrat mittels Photoemission (PE) und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht. Sowohl die PE-Daten als auch die Nahkantenabsorptionsspektren (NEXAFS) sind in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit der erwarteten elektronischen Struktur des S-Layers, was auf eine weitgehende Stabilität des Systems gegenüber den Messbedingungen (Vakuum, Röntgenstrahlung) hindeutet. Mittels resonanter Photoemission war es möglich, die einzelnen Valenzbandstrukturen individuellen chemischen Bindungen zuzuordnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten von Participator- und Spectator- Übergängen konnte ferner die Zeitskala für Elektronenhüpfprozesse innerhalb des LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) zu 100 fs abgeschätzt werden, was in guter Übereinstimmung mit einem in der Literatur vorgeschlagenen, auf Drehschwingungen basierenden Transportmechanismus ist. Der S-Layer wurde im folgenden als Templat für die Erzeugung von Metallclustern genutzt, die sich bei physikalischer Deposition reiner Metalle (Ag, Co) ausbilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich im Fall nominaler Silberbedeckungen im Monolagenbereich Cluster von der Größe einiger nm bilden, die sich auf einem quadratischen Übergitter mit einer Kantenlänge von 14 nm anordnen. Die spektroskopischen Daten weisen die Sauerstoffatome der Peptidketten als wahrscheinlichste Adsorptionsplätze aus. Während die Ag-Cluster sich weitgehend nicht-reaktiv verhalten, zeigen Co-Cluster deutlich stärkere Wechselwirkung mit dem Templat. Unter Nutzung eines im NEXAFS-Mode betriebenen Photoelektronenmikroskops (PEEM) wurde schließlich die Schädigung reiner und Cluster bedeckter S-Layer bei intensiver Röntgenbestrahlung untersucht. Die Schädigung ist im Fall der Clusterbedeckung deutlich niedriger als bei reinen Oberflächen. Ein nur auf Abschattung des Templats durch die Cluster beruhendes Modell beschreibt die spektroskopischen Daten jedoch nicht zufriedenstellend. Vielmehr müssen Schädigungen des Templats durch Elektronen, die infolge Röntgenabsorption innerhalb der Cluster generiert werden, mit berücksichtigt werden.:1. Einführung 3 2. Theoretische Grundlagen der Messmethoden 7 2.1 Photoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Wirkungsquerschnitt der Photoionisation . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Valenzbandspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.3 Rumpfniveauspektroskopie und Rumpfniveauverschiebung . . 15 2.1.4 Nahkantenabsorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.5 Resonante Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Elektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Photoelektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3. Bakterielle Oberflächenproteine 29 3.1 Aufbau und Struktur der S-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Reassemblierung von Bacillus sphaericus NCTC 9602 . . . . . . . . . . 32 4. Experimentelle Details und Probenpräparation 37 4.1 Aufbau der Ultrahochvakuumapparaturen . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.1 Deutsch-Russisches-Strahlrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1.2 PEEM-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Probenpräparation und Durchführung der Metallisierung . . . . . . . 41 5. Elektronische Struktur des S-Layers 43 5.1 Rumpfniveauspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2 Valenzbandspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Lateral integrierte NEXAFS-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3.1 Das C 1s-NEXAFS-Spektrum des S-Layers . . . . . . . . . . . 52 5.3.2 Das N 1s- und O 1s-NEXAFS-Spektrum des S-Layers . . . . . 53 5.4 Lateral aufgelöste NEXAFS-Spektroskopie - PEEM Studien . . . . . 56 5.4.1 C 1s-, O 1s- und N 1s-NEXAFS-Messungen . . . . . . . . . . 60 2 Inhaltsverzeichnis 5.5 Resonante Photoemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.5.1 Einfluss der Seitenketten auf elektronische Struktur . . . . . . 63 6. Strahlenschäden an Biomolekülen 66 6.1 Einfluss von Röntgenstrahlung auf das Oberflächenprotein . . . . . . 67 7. Ladungstransport in Proteinen 80 7.1 Ladungslokalisierung im Biomolekül . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8. Protein-Metall Hybridstrukturen und deren Synthese auf S-Layern 92 8.1 Protein-Silber Hybridstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.1.1 Rumpfniveauspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 8.1.2 PEEM - Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 8.1.3 Elektronische Struktur der Silber-Nanopartikel . . . . . . . . . 102 8.1.4 TEM-Studien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.2 Protein-Cobalt Hybridstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.2.1 Vergleichende PEEM-Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8.3 Strahlenschäden an Protein-Metall Hybridstrukturen . . . . . . . . . .114 8.3.1 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 9. Zusammenfassung 119 A Anhang 121 A1 Anbindung von Metallatomen an eine Peptidkette . . . . . . . . . . . 121 Abbildungsverzeichnis 122 Tabellenverzeichnis 129 Literaturverzeichnis 133 Danksagung 141

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