Structural models for yttrium aluminium borate laser glasses: NMR and EPR studies of the system (Y(2)O(3))(0.2)-(Al(2)O(3))(x)-(B(2)O(3))(0.8-x)

The structure of laser glasses in the system (Y(2)O(3))(0.2){(Al(2)O(3))(x))(B(2)O(3))(0.8-x)} (0.15 <= x <= 0.40) has been investigated by means of (11)B, (27)Al, and (89)Y solid state NMR as well as electron spin echo envelope modulation (ESEEM) of Yb-doped samples. The latter technique has been applied for the first time to an aluminoborate glass system. (11)B magic-angle spinning (MAS)-NMR spectra reveal that, while the majority of the boron atoms are three-coordinated over the entire composition region, the fraction of three-coordinated boron atoms increases significantly with increasing x. Charge balance considerations as well as (11)B NMR lineshape analyses suggest that the dominant borate species are predominantly singly charged metaborate (BO(2/2)O(-)), doubly charged pyroborate (BO(1/2)(O(-))(2)), and (at x = 0.40) triply charged orthoborate groups. As x increases along this series, the average anionic charge per trigonal borate group increases from 1.38 to 2.91. (27)Al MAS-NMR spectra show that the alumina species are present in the coordination states four, five and six, and the fraction of four-coordinated Al increases markedly with increasing x. All of the Al coordination states are in intimate contact with both the three-and the four-coordinate boron species and vice versa, as indicated by (11)B/(27)Al rotational echo double resonance (REDOR) data. These results are consistent with the formation of a homogeneous, non-segregated glass structure. (89)Y solid state NMR spectra show a significant chemical shift trend, reflecting that the second coordination sphere becomes increasingly ""aluminate-like'' with increasing x. This conclusion is supported by electron spin echo envelope modulation (ESEEM) data of Yb-doped glasses, which indicate that both borate and aluminate species participate in the medium range structure of the rare-earth ions, consistent with a random spatial distribution of the glass components.

On the theory of mixing-frequency electron spin-echo envelope modulation spectroscopy

It has recently been stated that the parametrization of the time variables in the one-dimensional (I-D) mixing-frequency electron spin-echo envelope modulation (MIF-ESEEM) experiment is incorrect and hence the wrong frequencies for correlated nuclear transitions are predicted. This paper is a direct response to such a claim, its purpose being to show that the parametrization in land 2-D MIF-ESEEM experiments possesses the same form as that used in other 4-pulse incrementation schemes and predicts the same correlation frequencies. We show that the parametrization represents a shearing transformation of the 2-D time-domain and relate the resulting frequency domain spectrum to the HYSCORE spectrum in terms of a skew-projection. It is emphasized that the parametrization of the time-domain variables may be chosen arbitrarily and affects neither the computation of the correct nuclear frequencies nor the resulting resolution. The usefulness or otherwise of the MIF parameters \gamma\ > 1 is addressed, together with the validity of the original claims of the authors with respect to resolution enhancement in cases of purely homogeneous and inhomogeneous broadening. Numerical simulations are provided to illustrate the main points.

Magnetic resonance and conductivity study of gelatin-based proton conductor polymer electrolytes

This work report results from proton nuclear magnetic resonance (NMR), continuous-wave (CW-EPR) and pulsed electron paramagnetic resonance (P-EPR) and complex impedance spectroscopy of gelatin-based polymer gel electrolytes containing acetic acid. cross-linked with formaldehyde and plasticized with glycerol. Ionic conductivity of 2 x 10(-5) S/cm was obtained at room temperature for samples prepared with 33 wt% of acetic acid. Proton ((1)H) line shapes and spin-lattice relaxation times were measured as a function of temperature. The NMR results show that the proton mobility is dependent on acetic acid content in the plasticized polymer gel electrolytes. The CW-EPR spectra, which were carried out in samples doped with copper perchlorate, indicate the presence of the paramagnetic Cu(2+) ions in axially distorted sites. The P-EPR technique, known as electron spin echo envelope modulation (ESEEM), was employed to show the involvement of both, hydrogen and nitrogen atoms, in the copper complexation of the gel electrolyte. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Magnetic resonance study of a vanadium pentoxide gel

In this work we report results from continuous-wave (CW) and pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) and proton nuclear magnetic resonance (NMR) studies of the vanadium pentoxide xerogel V2O5:nH(2)O (n approximate to 1.6). The low temperature CW-EPR spectrum shows hyperfine structure due to coupling of unpaired V4+ electron with the vanadium nucleus. The analysis of the spin Hamiltonian parameters suggests that the V4+ ions are located in tetragonally distorted octahedral sites. The transition temperature from the rigid-lattice low-temperature regime to the high temperature liquid-like regime was determined from the analysis of the temperature dependence of the hyperfine splitting and the V4+ motional correlation time. The Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM) data shows the signals resulting from the interaction of H-1 nuclei with V4+ ions. The modulation effect was observed only for field values in the center of the EPR absorption spectrum corresponding to the single crystals orientated perpendicular to the magnetic field direction. At least three protons are identified in the xerogel by our magnetic resonance experiments: (I) the OH groups in the equatorial plane, (ii) the bound water molecules in the axial V=O bond and (iii) the free mobile water molecules between the oxide layers. Proton NMR lineshapes and spin-lattice relaxation times were measured in the temperature range between 150 K and 323 K. Our analysis indicates that only a fraction of the xerogel protons contribute to the measured conductivity.

EPR-Spektroskopie zur Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen mittels EPR-Spektroskopie; damit sollten ein Beitrag zur Analyse der Tensidschicht in solchen Systemen geleistet und die Ergebnisse anderer Messmethoden ergänzt werden. Die Tensidschicht in Polymer-Ton-Nanokompositen nimmt großen Einfluss auf das System, denn sie bestimmt die Wechselwirkung zwischen Ton und Polymer: Damit hydrophiler Ton gut mit hydrophobem Polymer (hier Polystyrol) mischbar ist, muss das Schichtsilikat zunächst mit Tensiden organisch-modifiziert werden; dies geschieht durch Kationenaustausch der Natriumionen im Ton gegen Tenside. Um mit Hilfe der EPR einen Einblick in die Tensidschicht zu gewinnen, muss etwa 1% der zur Tonmodifizierung eingesetzten Amphiphile spinmarkiert sein. So gelang es im Rahmen dieser Arbeit, Tenside mit verschiedenen Kopfgruppen, nämlich Trimethylammonium- bzw. Trimethylphosphoniumtenside, zu synthetisieren und sie an verschiedenen Positionen ihrer hydrophoben Alkylkette mit einem Nitroxidradikal zu markieren. Das Nitroxidradikal diente als Spinsonde für die EPR-Experimente. Neben der Synthese verschiedener, spinmarkierter Amphiphile, der anschließenden Darstellung organisch-modifizierten Tons (Kationenaustausch) und verschiedener Polymer-Ton-Nanokomposite (Schmelzinterkalation) wurden alle Proben mittels EPR-Spektroskopie untersucht; dabei wurden sowohl cw- als auch gepulste Messtechniken eingesetzt. Aus cw-Experimenten ging hervor, dass die Dynamik der gesamten Tensidschicht mit der Temperatur zunimmt und die Mobilität der hydrophoben Tensidalkylkette mit wachsendem Abstand zu ihrer Kopfgruppe wächst. Zugabe von Polymer behindert bei steigender Temperatur das Anschwellen des Tons bei Aufschmelzen der Tensidschicht; die Dynamik des Systems ist eingeschränkt. Mit Hilfe gepulster EPR-Messungen (ENDOR und ESEEM), die Informationen über Abstände bzw. Kontakt in den untersuchten Systemen lieferten, ließ sich ein Strukturmodell der Polymer-Ton-Nanokomposite skizzieren, das Vorstellungen anderer, älterer Methoden unterstützt: Hierbei richten sich die Tenside in Multischichten unterschiedlicher Mobilität parallel zur Tonoberfläche aus.

Synthesis and characterization of structurally well-defined polymer-layered silicate nanocomposites

Zusammenfassung Nanokomposite aus Polymeren und Schichtsilikaten werden zumeist auf der Basis natürlicher Tone wie Montmorillonit hergestellt. Für NMR- und EPR-Untersuchungen der Tensidschicht, die das Silikat mit dem Polymer kompatibilisiert, ist der Eisengehalt natürlicher Tone jedoch abträglich, weil er zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten und zu einer Linienverbreiterung in den Spektren führt. Dieses Problem konnte überwunden werden, indem als Silikatkomponente eisenfreies, strukturell wohldefiniertes Magadiit hydrothermal synthetisiert und für die Kompositbildung eingesetzt wurde. Die Morphologie des Magadiits wurde durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und der Interkalationsgrad von schmelzinterkalierten Polymer-Nanokompositen wurde durch Weitwinkelröntgenstreuung bestimmt. Polymere mit Carbonylgruppen scheinen leichter zu interkalieren als solche ohne Carbonylgruppen. Polycaprolacton interkalierte sowohl in Oragnomagadiite auf der Basis von Ammoniumtensiden als auch in solche auf der Basis von Phosphoniumtensiden. Die Dynamik auf einer Nanosekundenzeitskala und die Struktur der Tensidschicht wurden mittels ortsspezifisch spinmarkierter Tensidsonden unter Nutzung von Dauerstrich- (CW) und Puls-Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) untersucht. Zusätzlich wurde die statische 2H-Kernmagnetresonanz (NMR) an spezifisch deuterierten Tensiden angewendet, um die Tensiddynamik auf einer komplementären Zeitskala zwischen Mikrosekunden und Millisekunden zu erfassen. Sowohl die CW-EPR- als auch die 2H-NMR-Ergebnisse zeigen eine Beschleunigung der Tensiddynamik durch Interkalation von Polycaprolacton auf, während sich in den nichtinterkalierten Mikrokompositen mit Polystyrol die Tensiddynamik verlangsamt. Die Rotationskorrelationszeiten und Aktivierungsenergien offenbaren verschiedene Regime der Tensiddynamik. In Polystyrol-Mikrokompositen entspricht die Übergangstemperatur zwischen den Regimen der Glasübergangstemperatur von Polystyrol, während sie in Polycaprolacton-Nanokompositen bei der Schmelztemperatur von Polycaprolacton liegt. Durch die erhebliche Verlängerung der Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Verwendung von eisenfreiem Magadiit können Messdaten hoher Qualität mit Puls-EPR-Experimenten erhalten werden. Insebsondere wurden die Vier-Puls-Elektron-Elektron-Doppelresonanz (DEER), die Elektronenspinechoenveloppenmodulation (ESEEM) und die Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) an spinmarkierten sowie spezifisch deuterierten Tensiden angewandt. Die ENDOR-Ergebnisse legen ein Model der Tensidschicht nahe, in dem zusätzlich zu den Oberflächenlagen auf dem Silikat eine wohldefinierte mittlere Lage existiert. Dieses Modell erklärt auch Verdünnungseffekte durch das Polymer in Kompositen mit Polycaprolacton und Polystyrol. Die umfangreiche Information aus den Magnetresonanztechniken ergänzt die Information aus konventionellen Charakterisierungstechniken wie Röntgendiffraktion und Transmissionselektronenmikroskopie und führt so zu einem detaillierteren Bild der Struktur und Dynamik der Tensidschicht in Nanokompositen aus Polymeren und Schichtsilikaten.

EPR spectroscopic investigation of membrane protein structure and folding on light harvesting complex LHCIIb

Structure and folding of membrane proteins are important issues in molecular and cell biology. In this work new approaches are developed to characterize the structure of folded, unfolded and partially folded membrane proteins. These approaches combine site-directed spin labeling and pulse EPR techniques. The major plant light harvesting complex LHCIIb was used as a model system. Measurements of longitudinal and transversal relaxation times of electron spins and of hyperfine couplings to neighboring nuclei by electron spin echo envelope modulation(ESEEM) provide complementary information about the local environment of a single spin label. By double electron electron resonance (DEER) distances in the nanometer range between two spin labels can be determined. The results are analyzed in terms of relative water accessibilities of different sites in LHCIIb and its geometry. They reveal conformational changes as a function of micelle composition. This arsenal of methods is used to study protein folding during the LHCIIb self assembly and a spatially and temporally resolved folding model is proposed. The approaches developed here are potentially applicable for studying structure and folding of any protein or other self-assembling structure if site-directed spin labeling is feasible and the time scale of folding is accessible to freeze-quench techniques.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn