BESSY II: Hochaufgelöste Einblicke in einzelne Biomoleküle und Katalysatoren

Winzige biologische Proben und sogar einzelne Biomoleküle können nun an der BESSY-II-Infrarot-Beamline unter lebensnahen Bedingungen in höchster Auflösung untersucht werden. Die nanoskalige Infrarotspektroskopie (s-SNOM) wurde dafür verbessert und gründlich validiert. Ultradünne Membrane auf Siliziumbasis ermöglichen dabei die Untersuchung im wässrigen Medium. Ein internationales Team um den HZB-Experten Dr. Alexander Veber konnte nach einem ersten Proof-of-Concept nachweisen, dass Nano-IR-Messungen in wässriger Umgebung mit den erwarteten Fernfeld-IR-Spektren übereinstimmen. Dieser methodische Fortschritt ermöglicht nun tiefere Einblicke in Biomaterialien, aber auch die Beobachtung katalytischer Prozesse in flüssigen Umgebungen.

Die Infrarotspektroskopie liefert Aufschluss über viele Eigenschaften von (biologischen) Proben, Molekülen und weicher Materie. Allerdings erfordert die IR-Spektroskopie eine gewisse Probengröße, so dass über einzelne Moleküle nur statistische Rückschlüsse möglich sind. Um einzelne Biomoleküle zu untersuchen, bietet sich die nanoskalige Spektroskopie (s-SNOM) mit Infrarotlicht an. Dabei beleuchtet ein Infrarotstrahl die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM), während sie die Probe abtastet; das zurückgestreute Licht liefert lokale optische Informationen über die Nahfeld-Wechselwirkung zwischen der Spitze und der Probe mit einer Auflösung von bis zu 10 Nanometern.

Membrane als Schutzfilm

Biomoleküle befinden sich jedoch normalerweise in wässrigen Umgebungen, und Wasser absorbiert einen Teil des Infrarotlichts. Erste Proof-of-Concept-Studien zeigten bereits vor einiger Zeit, dass s-SNOM in Flüssigkeit funktionieren kann, wenn man ultradünne Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbid-Membranen zwischen der AFM-Spitze und der Probe einsetzt – die Membranen wirken als Schutzfilm und sind im mittleren Infrarotbereich transparent. Es fehlte jedoch ein umfassender Vergleichstest, der diese lokalen Nahfeldmessungen mit etablierten und bekannten Fernfeld-IR-Referenzspektren in Verbindung brachte.

Systematische Studie 

Um diese Lücke zu schließen, führte ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Alexander Veber eine systematische Studie mit verschiedenen ultradünnen Membranen auf Siliziumbasis durch. Sie konnten nachweisen, dass hochauflösende Nano-IR-Spektren in wässrigen Umgebungen 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. Zu den Proben gehörten Rinderserumalbumin und DNA-Moleküle sowie α-Synuclein-Proteinfibrillen, die bei der Alzheimer-Krankheit eine Rolle spielen.

Experimentelle Daten und theoretisches Modell

Um eine Brücke zwischen der herkömmlichen Fernfeld- und der nanoskaligen Nahfeld-Infrarotspektroskopie zu schlagen, kombinierte das Team die experimentellen Daten mit einem theoretischen Modell. „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 passen sehr gut mit den etablierten Referenz-Infrarotspektren (Fernfeld) zusammen, was es ermöglicht, biologische Strukturen chemisch mit einer Auflösung bis hinunter zu einigen zehn Nanometern abzubilden.

Biologische und chemische Prozesse

„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. Damit lassen sich biologische oder chemische Prozesse mit hoher räumlicher Auflösung beobachten und analysieren, beispielsweise die Proteindynamik, aber auch  molekulare Wechselwirkungen in katalytisch aktiven Materialien.

Notiz

Vor wenigen Jahren wurde gezeigt, dass s-SNOM in wässriger Umgebung mithilfe von Silizium-Membranen funktionieren kann.  Sci. Rep. (2021): https://doi.org/10.1038/s41598-021-01425-w.

Das Team um Alexander Veber hat diese Methode erstmals an einem Synchrotron eingesetzt. Small (2025): https://doi.org/10.1002/smll.202507097