Ionen-spezifische Effekte

Ionen-spezifische Effekte

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Umgekehrte Hofmeister-Serie - Die Regel und nicht die Ausnahme

Ionenspezifische Effekte sind allgegenwärtig. Der Begriff bezeichnet die Tatsache, dass die meisten wässrigen physikalisch-chemischen Prozesse nicht nur von der Ionenkonzentration und -valenz abhängen, sondern auch vom Ionentyp. Schon früh wurde erkannt, dass Anionen und Kationen entsprechend ihrer Effizienz reproduzierbar geordnet werden können, um Proteine ​​aus der Lösung in die Hofmeister-Reihe auszufällen. Die Identifizierung des dieser Reihe zugrunde liegenden Mechanismus und die Umsetzung in eine allgemein anwendbare Theorie bleiben eine Herausforderung. Darüber hinaus wird die Universalität der Hofmeister-Reihe durch hochmoderne Experimente in Frage gestellt, die ein ganzes Spektrum direkter, veränderter und umgekehrter Reihen aufzeigen.

Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Beschreibung dieses vielfältigen Spektrums experimentell beobachteter Phänomene. Der primäre Einblick in den Ursprung der Hofmeister-Reihe und ihre Umkehrung wird durch simulationsbasierte Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungspotentiale an Oberflächen gewonnen, die unpolare, polare und geladene funktionelle Gruppen für Halogenidanionen und Alkalikationen enthalten. In einem zweiten Schritt werden die detaillierten mikroskopischen Wechselwirkungen von Ionen, Wasser und funktionellen Oberflächengruppen in die Poisson-Boltzmann-Theorie einbezogen. Dies ermöglicht es uns, ionenspezifische Bindungsaffinitäten an Oberflächengruppen unterschiedlicher Polarität und Ladung zu quantifizieren und eine Verbindung zu den experimentell gemessenen langreichweitigen elektrostatischen Kräften herzustellen, die Kolloide, Proteine ​​und andere Partikel gegen Ausfällung stabilisieren. Basierend auf der Stabilisierungseffizienz wird die direkte Hofmeister-Reihe für negativ geladene hydrophobe Oberflächen erhalten. Die Umkehrung der Hofmeister-Reihe wird durch Ändern des Vorzeichens der Oberflächenladung von negativ nach positiv, durch Ändern der Art der funktionellen Oberflächengruppen von hydrophob zu hydrophil, durch Erhöhen der Salzkonzentration oder durch Ändern des pH-Werts induziert. Das resultierende vielfältige Spektrum spiegelt wider, dass Änderungen der Hofmeister-Reihe eher die Regel als die Ausnahme sind und aus der Variation der Ionen-Oberflächen-Wechselwirkungen bei Änderung der Oberflächeneigenschaften resultieren.


Weiterführende Literatur

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