Infraroodspectroscopie op nanoschaal met BESSY II Afzonderlijke biomoleculen in een waterige omgeving analyseren

De klassieke IR-spectroscopie stuit bij waterige monsters op haar grenzen. Met s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) kunnen daarentegen zelfs afzonderlijke biomoleculen met een hoge resolutie worden waargenomen. Een nieuwe studie heeft deze methode nu gevalideerd op de BESSY-II-stralingslijn van het Helmholtz-centrum Berlijn.

Op de BESSY-II-infrarood-beamline van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) kunnen wetenschappers sinds kort minuscule biologische monsters en zelfs afzonderlijke biomoleculen onder levensechte omstandigheden met de hoogste resolutie onderzoeken. De infraroodspectroscopie op nanoschaal is hiervoor verbeterd en grondig gevalideerd. Ultradunne membranen op basis van silicium maken daarbij onderzoek in een waterig medium mogelijk.

Een internationaal team onder leiding van HZB-deskundige dr. Alexander Veber heeft na een eerste proof-of-concept aangetoond dat nano-IR-metingen in een waterige omgeving overeenkomen met de verwachte IR-spectra in het verre veld. Deze methodologische vooruitgang maakt nu niet alleen diepere inzichten in biomaterialen mogelijk, maar ook de observatie van katalytische processen in vloeibare omgevingen.

Spectroscopie in combinatie met rasterkrachtmicroscopie

Infraroodspectroscopie (IR-spectroscopie) geeft inzicht in talrijke eigenschappen van (biologische) monsters, moleculen en zachte materie. Omdat hiervoor een bepaalde monstergrootte vereist is, kunnen er met betrekking tot afzonderlijke moleculen echter alleen statistische conclusies worden getrokken. Om afzonderlijke biomoleculen te onderzoeken, leent nanoschaalspectroscopie (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, s-SNOM) met infraroodlicht zich uitstekend. Hierbij bestraalt een infraroodstraal de punt van een atoomkrachtmicroscoop (Atomic force microscope, AFM) terwijl deze het monster aftast. Het teruggekaatste licht levert lokale optische informatie op over de nabijveld-interactie tussen de punt en het monster, met een resolutie tot tien nanometer.

Membraan als beschermlaag

Biomoleculen bevinden zich doorgaans in waterige omgevingen en zijn slecht geschikt voor klassieke IR-metingen, omdat water een deel van het infraroodlicht absorbeert. Eerste proof-of-concept-studies toonden echter al enige tijd geleden aan dat s-SNOM in vloeistof kan functioneren wanneer men ultradunne siliciumnitride- of siliciumcarbidemembranen tussen de AFM-punt en het monster aanbrengt – de membranen fungeren als beschermende film en zijn transparant in het midden-infraroodgebied. Er ontbrak echter een uitgebreide vergelijkingstest die deze lokale nabijveldmetingen in verband bracht met gevestigde en bekende verveld-IR-referentiespectra.

Om deze leemte op te vullen, heeft een internationaal team onder leiding van dr. Alexander Veber een systematisch onderzoek uitgevoerd met verschillende ultradunne membranen op basis van silicium. Zij konden aantonen dat nano-IR-spectra met hoge resolutie in waterige omgevingen rechtstreeks correleren met standaard IR-signaturen in het verre veld.

„We hebben verschillende siliciummembranen systematisch getest en de monsters zowel in droge toestand als in een waterige omgeving onderzocht”, zegt dr. Maria Eleonora Temperini, eerste auteur van de studie. Tot de monsters behoorden runderserumalbumine en DNA-moleculen, evenals α-synucleïne-eiwitfibrillen, die een rol spelen bij de ziekte van Alzheimer.