Neue Mikroskopie zur Messung der Chiralität Unterscheiden Sie zwischen rechts- und linkshändigen Nanopartikeln

10.09.2020 | Autor / Herausgeber: Claudia Daefler * / Christian Lüttmann

Ob ein Molekül Rechts- oder Linkshänder ist, kann den Unterschied zwischen einem Heilmittel und einem tödlichen Gift ausmachen. Das Studium der sogenannten Chiralität ist daher ein wichtiges Instrument. Um auch einzelne Nanopartikel auf ihre Geschicklichkeit zu untersuchen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme einen neuen Typ eines Spektroskopiemikroskops entwickelt.

Stuttgart – Egal ob Zucker, DNA, Aminosäuren oder Proteine: Fast alle Biomoleküle sind sowohl Linkshänder als auch Rechtshänder. Sie sind chiral, dh füreinander als Bild und Spiegelbild. In der Natur nehmen die meisten Biomoleküle jedoch nur eine von zwei möglichen Formen an.

Alle lebenden Organismen, viele Gegenstände und die meisten Medikamente sind ebenfalls chiral. Es ist daher wichtig, die Chiralität oder Geschicklichkeit von Proben bestimmen zu können. Dies kann mit links- oder rechtshändigem polarisiertem Licht erfolgen: Ein rechtshändiges Objekt absorbiert und streut das rechtshändige Licht anders als ein linkshändiges Objekt. Da die gefundenen Unterschiede sehr gering sind, verwenden gewöhnliche Instrumente Milliarden von Partikeln (Partikel oder Moleküle), um die Chiralität zu bestimmen. Aus diesem Grund werden große Proben benötigt, die einerseits teuer sein können und andererseits zum Verlust interessanter Details der einzelnen Partikel führen, indem über die Menge aller Partikel gemittelt wird.

Die Schwierigkeiten bei der Messung der Chiralität

Wissenschaftlern der Forschungsgruppe Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme ist es nun gelungen, die Geschicklichkeit einer einzelnen Nanostruktur zu ermitteln. Sie verwendeten Gold- und Silbernanostrukturen, die normalerweise als optische Antennen zur Verstärkung von Signalen verwendet werden.

Die Nanoantennen sind auch vielversprechende Werkzeuge für die chirale Spektroskopie. Die Bestimmung der manuellen Geschicklichkeit erfordert jedoch die Messung des Unterschieds zwischen linkshändiger und rechtshändiger Polarisation. Bisher musste die jeweilige Nanostruktur daher auf einer Oberfläche montiert werden, während zwei unabhängige Messungen für die linke und rechte Polarisation durchgeführt wurden. Dies führte zu einer signifikanten Anzahl fehlerhafter Messungen in Form von Messartefakten. Infolgedessen können auch Nichthandobjekte chiral erscheinen.

Das wahre chirale Spektrum einzelner Partikel

Das neu entwickelte Mikroskopspektrometer der MPI-Forscher ermöglicht nun eine zuverlässigere Chiralitätsmessung auch kleinster Partikel. Es zeichnet beide Polarisationen gleichzeitig auf und ermöglicht erstmals die Beobachtung eines sich dynamisch bewegenden einzelnen Nanopartikels in Lösung. Mit diesem Ansatz ist es nun möglich, das wahre chirale Spektrum eines einzelnen Nanopartikels zu erfassen. Auf diese Weise liefert das Mikroskop eine neue Maßeinheit, die bisher nicht erreichbar war.

„Wir messen den Durchschnitt von Milliarden von Nanopartikeln mit der klassischen Methode. Aufgrund unvermeidbarer Verunreinigungen während der Nanostrukturherstellung ist das aufgezeichnete Signal immer nur ein Durchschnitt vieler leicht unterschiedlicher Formen. Unser neues Mikroskopspektrometer kann dagegen eine einzelne Nanostruktur untersuchen “, sagt Peer Fischer, Leiter der Forschungsgruppe für Mikro-, Nano- und Molekülstrukturen und Professor an der Universität Stuttgart.

Ein Partikel, das aus allen Richtungen gesammelt wurde

Es war eine besondere Herausforderung, einen neuen Testaufbau zu entwickeln, der gleichzeitig – dh mit nur einem Bild – das rechts- und linksrotierende Spektrum bestimmt. „Das Konzept ist so einfach wie genial“, sagte Johannes Sachs, einer der Autoren der Studie. „Die Technologie verwendet nur optische Polarisationen mit fester Polarisation, um das links und rechts rotierende Licht räumlich zu trennen und es letztendlich auf verschiedenen Teilen eines speziellen Kameradetektors anzuzeigen.“

Die Wissenschaftler verwenden das Mikroskop, um die optischen Spektren von Nanopartikeln in Echtzeit zu bestimmen und zeitaufgelöste Messungen durchzuführen. Dieses neue Instrument zeigt, wie empfindlich das chirale Spektrum eines einzelnen Nanopartikels von seiner Ausrichtung abhängt. Darüber hinaus zeigte das Forschungsteam, dass sie die Brownsche Bewegung für ihre eigenen Zwecke nutzen können. Dank dieser zufälligen thermischen Fluktuation, die jedes kleine Objekt erfährt, können die Nanopartikel aus allen Winkeln beobachtet werden. Dies liefert die gleichen Informationen wie das Spektrum, das normalerweise an durchschnittlichen Proben gemessen wird, jedoch eher an einem einzelnen Partikel als an mehreren Milliarden Partikeln beobachtet wird.

Neue Möglichkeiten zur Reaktionsanalyse

Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Ergebnisse und das neue Konzept eine vielversprechende Plattform für zukünftige Anwendungen bieten. „Die Beobachtung einzelner Partikel ermöglicht es, mit extrem kleinen Probenvolumina und hoher räumlicher Auflösung zu arbeiten, beispielsweise innerhalb einzelner Zellen“, sagt Studienautor Sachs.

Darüber hinaus ist das Spektrum eines einzelnen metallischen Nanopartikels sehr empfindlich gegenüber Änderungen in seiner unmittelbaren Umgebung, z. B. wenn sich ein anderes Partikel nähert oder wenn ein daran gebundenes Protein seine Faltung ändert. „Die Fähigkeit, das chirale Spektrum eines einzelnen Partikels zeitaufgelöst zu untersuchen, kann lokale Reaktionsprozesse im Detail klären – und ist daher für die Erforschung biochemischer, medizinischer oder biologischer Prozesse von Interesse“, fügte Sachs ‚Kollege und Mitautor hinzu. Jan-Philipp Günther. . „Das wäre bei herkömmlichen Messungen verborgen, bei denen die Reaktionen einer großen Anzahl von Partikeln gemittelt werden.“

Originalveröffentlichung: Johannes Sachs, Jan-Philipp Günther, Andrew G. Mark Chiroptische Spektroskopie eines frei diffusen einzelnen Nanopartikels, Nature Communications Volume 11, Item Number: 4513 (2020); DOI: 10.1038 / s41467-020-18166-5

* C. Daefler, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 70569 Stuttgart

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