Spektroskopia w podczerwieni w skali nano przy użyciu BESSY II Analiza pojedynczych biomolekuł w środowisku wodnym

Klasyczna spektroskopia w podczerwieni napotyka ograniczenia w przypadku próbek wodnych. Natomiast dzięki technologii s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) można uzyskać obrazy poszczególnych biomolekuł w wysokiej rozdzielczości. W nowym badaniu metoda ta została zweryfikowana na linii promieniowania BESSY-II w Centrum Helmholtza w Berlinie.

W linii promieniowania podczerwonego BESSY-II w Centrum Helmholtza w Berlinie (HZB) naukowcy mogą od niedawna badać maleńkie próbki biologiczne, a nawet pojedyncze biomolekuły w warunkach zbliżonych do naturalnych i z najwyższą rozdzielczością. W tym celu udoskonalono i dokładnie zweryfikowano spektroskopię w podczerwieni w skali nano. Ultracienkie membrany na bazie krzemu umożliwiają przy tym badania w środowisku wodnym.

Międzynarodowy zespół pod kierownictwem eksperta z HZB, dr. Alexandra Vebera, wykazał po przeprowadzeniu wstępnej weryfikacji koncepcji (proof-of-concept), że pomiary w zakresie nano-IR w środowisku wodnym są zgodne z oczekiwanymi widmami IR w polu dalekim. Ten postęp metodologiczny umożliwia teraz głębszy wgląd w biomateriały, a także obserwację procesów katalitycznych w środowiskach ciekłych.

Spektroskopia w połączeniu z mikroskopią sił atomowych

Spektroskopia w podczerwieni (spektroskopia IR) dostarcza informacji na temat wielu właściwości próbek (biologicznych), cząsteczek i materii miękkiej. Ponieważ wymaga ona jednak pewnej wielkości próbki, w odniesieniu do pojedynczych cząsteczek możliwe są jedynie wnioski o charakterze statystycznym. Do badania pojedynczych biomolekuł nadaje się spektroskopia w nanoskali (scanning near-field optical microscopy typu rozpraszającego, s-SNOM) z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. W tej metodzie wiązka podczerwieni oświetla końcówkę mikroskopu sił atomowych (Atomic force microscope, AFM) podczas skanowania próbki. Światło rozproszone dostarcza lokalnych informacji optycznych na temat oddziaływania w polu bliskim między końcówką a próbką z rozdzielczością sięgającą nawet dziesięciu nanometrów.

Membrana jako warstwa ochronna

Biomolekuły zazwyczaj znajdują się w środowisku wodnym i nie nadają się do klasycznych pomiarów w podczerwieni, ponieważ woda pochłania część promieniowania podczerwonego. Jednak już jakiś czas temu pierwsze badania typu „proof-of-concept” wykazały, że technika s-SNOM może działać w cieczy, jeśli między końcówką AFM a próbką zastosuje się ultracienkie membrany z azotku krzemu lub węglika krzemu – membrany te pełnią rolę warstwy ochronnej i są przezroczyste w środkowym zakresie podczerwieni. Brakowało jednak kompleksowego testu porównawczego, który połączyłby te lokalne pomiary w polu bliskim z uznanymi i znanymi referencyjnymi widmami podczerwieni w polu dalekim.

Aby wypełnić tę lukę, międzynarodowy zespół pod kierownictwem dr Alexandra Vebera przeprowadził systematyczne badania z wykorzystaniem różnych ultracienkich membran na bazie krzemu. Udało im się wykazać, że spektra nano-IR o wysokiej rozdzielczości w środowisku wodnym korelują bezpośrednio ze standardowymi sygnaturami IR w polu dalekim.

„Przeprowadziliśmy systematyczne testy różnych membran krzemowych i zbadaliśmy próbki zarówno w stanie suchym, jak i w środowisku wodnym” – mówi dr Maria Eleonora Temperini, pierwsza autorka badania. Wśród próbek znalazły się albumina surowicy bydlęcej i cząsteczki DNA, a także włókna białkowe α-synukleiny, które odgrywają rolę w chorobie Alzheimera.