Kern-Schale-Flüssigkeitsstrahlen erhöhen Stabilität der Probenzufuhr

Flüssigkeitsstrahlen dienen in der seriellen Femtosekunden-Kristallographie (SFX) als bewährte Methode zur Probenzufuhr für die Bestimmung biologischer Strukturen. Dabei ist die Konstruktion der Mikrodüse, die die Flüssigkeit in die Probenkammer spritzt, entscheidend für die Strahlstabilität und die Effizienz der Datenerfassung. In einer neuen Studie demonstriert ein internationales Team des European XFEL nun, wie sich ein solcher Strahl extrem verlängern und gleichzeitig stabilisieren lässt. Diese technologische Weiterentwicklung ermöglicht erstmals die Injektion von Flüssigkeiten mit einer deutlich höheren Viskosität, als es bisherige Verfahren zuließen.

Viskoelastische Stabilisierung verbessert Probeninjektion

Am European XFEL werden Flüssigkeitsstrahlen üblicherweise durch gasdynamische virtuelle Düsen erzeugt, die an der Experimentierstation SPB/SFX zum Einsatz kommen. Dabei komprimiert ein Heliumstrom die Flüssigkeit mit den Mikrokristallproben auf einen Durchmesser von wenigen Mikrometern. In der aktuellen Studie nutzten die Forschenden Doppelstrom-Fokussierdüsen, die eine zusätzliche Hüllflüssigkeit zwischen Probenstrom und Helium einsetzen, und versetzten diese mit einer geringen Konzentration des biokompatiblen Polymers Polyethylenoxid (PEO). Die gestreckten Polymerketten verleihen dem Strahl viskoelastische Eigenschaften und bilden eine stabilisierende „Panzerung” um den Probenstrom. Dies resultiert in einem außergewöhnlich langen und gleichmäßigen Strahl, der die Effizienz der Messungen steigert.

Dehnungsviskosität sorgt für außerordentliche Strahlstabilität

Der entscheidende Aspekt der Stabilisierung ist, dass „die intensive konvergierende Dehnungsströmung am Austrittspunkt einen Übergang von der Wicklung zur gestreckten Form der Polymere innerhalb der Mikrodüse auslöst und dadurch eine große viskoelastische Spannung aufbaut. Diese Spannung baut sich im Strahl auch bei Zeiträumen, die weit über die Relaxationszeit des Polymers hinausgehen, nicht ab. Die erhöhte Dehnungsviskosität verleiht dem Strahl eine außerordentliche Stabilität“, sagt Professor José María Montanero. Durch diesen physikalischen Effekt bleibt die Integrität des Flüssigkeitsstrahls über eine Distanz gewahrt, die für präzise Messungen an Röntgenlasern unerlässlich ist.

Technologische Brücke schließt blinden Fleck der Zeitauflösung

Aufgrund ihrer Millimeterlänge eignen sich diese Kern-Schale-Strahlen sogar für Pump-Probe-SFX-Experimente, um eine Zeitskala von einigen zehn Mikrosekunden abzudecken. Dieser Bereich galt bislang als blinder Fleck, da er genau zwischen den bisher an XFELs erreichbaren Pikosekunden bis Mikrosekunden und den an Synchrotronlichtquellen üblichen Zeitverzögerungen im Bereich von Millisekunden liegt.

„Wir haben die Röntgenpuls-Trefferquote von Kristallen für eine Vielzahl von Proben mit biologischer Bedeutung, Puffer-Zusammensetzungen, Strahlgrößen und verwendeten Durchflussraten ausgewertet. Was wir gefunden haben, ist eine unübertroffene Überlappung zwischen Probe und Röntgenstrahl, die das Potenzial hat, die Strategien zur Datenerfassung in der seriellen Femtosekunden-Röntgenkristallographie voranzubringen. Die Vorteile dieses Ansatzes könnten an anderen XFELs mit hoher Puls-Wiederholungsrate sowie an Synchrotronlichtquellen breite Anwendung finden“, sagt Mohammad Vakili. Durch diese optimierte Trefferrate lassen sich biologische Prozesse nun lückenloser und effizienter untersuchen.

Dreifachstrom-Düsen für die Photosynthese-Forschung

Die Forschenden entwickelten zudem neuartige Dreifachstrom-Fokussierdüsen, welche die Vorteile der viskoelastischen Stabilisierung auf mikrofluidische Mischdüsen übertragen. Dies ebnet den Weg für zeitaufgelöste Untersuchungen von Proben in viskosen Puffern. Petra Fromme, Professorin an der Arizona State University, sagt: „Viskoelastische Strahlen stellen eine effiziente Methode dar, um Proben einzubringen, die sowohl in Flüssigkeiten mit niedriger als auch mit mittlerer Viskosität enthalten sind. Endlich haben wir eine Injektionsmethode gefunden, die sich möglicherweise für schwer injizierbare Flüssigkeiten eignet, wie beispielsweise Photosystem-II-Kristallmedien.“ Das Photosystem II, ein zentraler Proteinkomplex der Photosynthese, steht im Fokus zahlreicher Projekte. Die interdisziplinäre Arbeit vereint Expertise aus Röntgenbeugung, Fluiddynamik, Polymerwissenschaft sowie Strukturbiologie und entstand in enger Kooperation zwischen dem European XFEL, den Universitäten Extremadura, Sevilla und Hamburg, der Arizona State University sowie dem DESY.

Quelle

European XFEL GmbH (04/2026)