Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und Katalysatoren

Winzige biologische Proben sowie einzelne Biomoleküle lassen sich an der BESSY-II-Infrarot-Beamline unter physiologischen Bedingungen in hoher räumlicher Auflösung analysieren. Durch eine Weiterentwicklung und methodische Validierung der streulichtbasierten optischen Nahfeldmikroskopie im Infrarotbereich (s-SNOM) in Kombination mit ultradünnen Membranen auf Siliziumbasis gelingt der spektroskopische Nachweis in wässrigen Medien. Diese methodische Innovation erweitert das Anwendungsspektrum für die Charakterisierung von Biomaterialien und die In-situ-Beobachtung katalytischer Prozesse in flüssiger Phase.

Funktionsprinzip und Messgrenzen von s-SNOM

Die Infrarotspektroskopie ermöglicht die molekulare und physikochemische Charakterisierung von Proben, Makromolekülen und weicher Materie. Klassische Fernfeld-Methoden erfordern jedoch eine Mindestprobengröße und liefern lediglich über das Probenensemble gemittelte Signale. Für die hochauflösende Analytik einzelner Biomoleküle wird s-SNOM eingesetzt: Hierbei fokussiert ein Infrarotstrahl auf die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) während des Abtastvorgangs. Das aus der Nahfeld-Wechselwirkung zwischen Messspitze und Probe zurückgestreute Licht liefert lokale optische Informationen mit einer Ortsauflösung von bis zu 10 Nanometern.

Überwindung der Solvens-Absorption durch Membrantechnologie

Da Biomoleküle nativ in wässriger Phase vorliegen und Wasser im mittleren Infrarotbereich (MIR) starke Absorptionsbanden zeigt, ist eine direkt freiliegende Messung erschwert. Proof-of-Concept-Studien zeigten, dass s-SNOM in Flüssigkeiten durch den Einsatz ultradünner, IR-transparenter Schutzmembranen aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid zwischen AFM-Spitze und Probe realisierbar ist. Für eine quantitative Validierung fehlte jedoch der systematische Abgleich dieser lokalen Nahfeld-Datensätze mit etablierten Fernfeld-IR-Referenzspektren.

Systematische Validierung im wässrigen Medium

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Alexander Veber untersuchte diesen methodischen Ansatz systematisch mit verschiedenen ultradünnen Membranen auf Siliziumbasis. Das Ziel war der Nachweis, dass hochaufgelöste Nano-IR-Spektren aus wässrigen Milieus direkt mit Standard-Fernfeld-IR-Signaturen korrelieren. „Wir haben verschiedene Siliziummembranen systematisch getestet und die Proben sowohl im trockenen Zustand als auch in wässriger Umgebung untersucht“, sagt Dr. Maria Eleonora Temperini, Erstautorin der Studie. Als Modellsubstanzen dienten Rinderserumalbumin, DNA-Moleküle sowie für die Alzheimer-Forschung relevante α-Synuclein-Proteinfibrillen.

Theoretische Modellierung und Korrelation zum Fernfeld

Zur Verknüpfung von Fernfeld- und Nahfeld-IR-Spektroskopie kombinierten die Forschenden die Messdaten mit einer theoretischen Beschreibung. „Das finite-Dipol-Modell beschreibt sehr gut, was auf der Nanoskala in Gegenwart der Membran und der Flüssigkeit geschieht“, sagt Temperini. Die Signale einzelner Biomoleküle stimmen präzise mit etablierten Referenz-Infrarotspektren überein. Dies ermöglicht die chemische Kartierung biologischer Strukturen mit einer Ortsauflösung im Bereich weniger Zehn-Nanometer.

„Wir können nun mit hoher Zuverlässigkeit biologische Proben mit s-SNOM untersuchen, und zwar so, wie sie in der Natur vorkommen, in wässrigen Umgebungen“, sagt Veber. Die optimierte Methodik eröffnet neue Perspektiven für die In-situ-Analyse biologischer und chemischer Mechanismen, wie etwa die Proteindynamik oder molekulare Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (09/2026)