Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen: Der erste ist ein Beitrag zur Instrumentierung und insbesondere zur Entwicklung eines Auslesesystems für Gasdetektoren, die in Kleinwinkelstreuexperimenten verwendet werden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Untersuchung von Proteinwechselwirkungen in Lösung.
Ein Ziel des Instrumentierungsteils war es, die Auswirkungen von Fluoreszenz in Gasdetektoren mit Verzögerungsleitungsauslese zu untersuchen. Ein Phänomen, das zu detektierten Ereignissen führt, die nicht Teil des eigentlichen Streumusters sind. Zu diesem Zweck wurde ein Zeitmarken-TDC (TS-TDC) entwickelt, welcher in der Lage ist gleichzeitig stattfindende Ereignisse nachzuweisen, indem er von sämtlichen Zeitinformationen der Anoden- und Kathodensignale Gebrauch macht (Checksumme).
Es wurde festgestellt, dass die Fluoreszenz des Gases das räumliche und zeitliche Auflösungsvermögen des Detektors beschränkt. Die gemachten Beobachtungen bestätigen den vermuteten Einfluss der Argon-Fluoreszenz auf die Point-spread-function (PSF) und legen dar, dass selbst ein Selektionsmechanismus, der nur Einzelereignisse aufnimmt, diesen Effekt nicht völlig aufheben kann. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann jedoch verbessert werden, indem die Driftzeit und die Checksumme der Signale gemessen und zum Filtern verwendet werden. Die Messung der Driftzeit wird durch die Fähigkeit des TS-TDCs einzelne gestreute Photonen ihrem Ursprungs-Photonenbunch des Speicherrings zuzuordnen ermöglicht. Diese Eigenschaft kann auch für zeitaufgelöste Messungen im Nanosekunden-Bereich ausgenutzt werden.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Gasdetektoren dazu verwendet einen Beitrag zu einem wichtigen Bereich der Biophysik zu leisten: die Untersuchung von intermolekularen Wechselwirkungen in Proteinlösungen. Dieses wurde durch Messungen des Strukturfaktors der Proteinlösungen erreicht.
Nach der DLVO-Theorie sind das Harte-Kugel-Potential, eine kurzreichweitige Anziehung, die durch Kräfte zwischen den Oberflächen erzeugt wird, und eine langreichweitige Abstoßung zwischen den geladenen Molekülen die wichtigsten Wechselwirkungen zwischen kugelförmigen Teilchen.
Ein Computerprogramm, das die Strukturfaktoren aus den Paarpotentialen ausrechnen kann, wurde geschrieben und war in der Lage sowohl die bekannten Ergebnisse aus der Literatur als auch die wichtigsten Beobachtungen unsere Experimente zu reproduzieren.
Zahlreiche Messungen von Lösungen der Proteine Glucose-Oxidase und Lysozym wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um die Wechselwirkungen der Proteine unter dem Einfluss von Substanzen wie Salzen, TMAO, Glycin oder bei unterschiedlichen Proteinkonzentrationen zu untersuchen. Der Einfluss von Veränderlichen wie Temperatur und pH-Wert auf anziehende und abstoßende Wechselwirkungen und insbesondere die Paarpotentiale wurde untersucht. Die wichtigsten Merkmale der Strukturfaktoren, die in den bei verschiedenen Proteinkonzentrationen gemessen wurden, konnten von dem Programm korrekt reproduziert werden. Das interessanteste Ergebnis war, dass die Messungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen und die Messungen unter dem Einfluss von Harnstoff und TMAO mit einem attraktiven Potential, das mit steigender Salzkonzentration abnahm, am besten erklärt werden konnte. Bei ähnlichen Messungen, die in der Literatur dokumentiert sind, wurde immer mit einem konstanten anziehendem Potential gearbeitet.
The present work consists of two parts: The first part is a contribution to instrumentation and more particularly the development of a readout system for gas detectors used in small angle X-ray scattering (SAXS) and the second part covers the results of an investigation of interactions between proteins in solution.
One aim of the instrumentation part was to investigate the role of fluorescence in gas proportional detector with delay line readout, a phenomenon that leads to events, unrelated to the actual scattering pattern. For this purpose a time stamp (TS-) TDC readout was developed that is able to detect simultaneous events in the detector by using all timing information in the anode and cathode signals (check-sum).
It was found that the fluorescence of the gas clearly limits the spatial and time resolution in gas detection. The present observations confirm the influence of argon fluorescence on the point-spread function (PSF) and demonstrate that a rejection mechanism that analyses single events only cannot entirely eliminate these effects. The signal-to-noise ratio can, however, be improved by taking the drift time of the electrons and the check-sum of the signals into account. Drift time measurements are made possible by the unique ability of the TS-TDC to correlate the observation of scattered photons with individual radiation bunches in the storage ring. This feature could also facilitate time-resolved measurements with nanosecond-resolution.
In the second part of this thesis gas detectors were used in a contribution to an important topic in biophysics: the study of intermolecular interactions in protein solutions. This was done by measuring the structure factors of protein solutions.
According to the DLVO theory the main interactions between spherical particles are the hard-sphere interactions, a short range attraction, due to surface-surface forces, and a long range repulsion caused by the fact that the particles are charged.
A computer program was written, which calculates the structure factors from the pair potentials and was shown to reproduce some results in the literature as well as all the main observations in our experiments.
Several measurements were made on solutions of the proteins glucose oxidase and lysozyme under various conditions in order to investigate the interactions of these proteins in the presence of co-solutes such as salts, urea, TMAO, glycine or at different protein concentrations. The influence of variables like temperature and pH on the attractive and repulsive interactions and in particular the pair potentials was also studied.
The main features of the structure factors observed in the protein concentration series are correctly predicted with the program. The most interesting finding was that salt concentration series of structure factors and the change of the structure factor upon addition of urea and TMAO could be better described if the strength of the attractive potential decreases with increasing salt concentration. Previous work in the literature had relied on a constant attractive potential within a given series of measurements.