Nanoskalige Infrarotspektroskopie mit BESSY II Einzelne Biomoleküle in wässriger Umgebung analysieren

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Die klassische IR-Spektroskopie trifft bei wässrigen Proben auf ihre Grenzen. Mit s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) lassen sich hingegen auch einzelne Biomoleküle hochauflösend erfassen. Eine neue Studie hat diese Methode nun an der BESSY-II-Strahlenlinie des Helmholtz-Zentrums Berlin validiert.

An der BESSY-II-Infrarot-Beamline am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) können Wissenschaftler seit neustem winzige biologische Proben und sogar einzelne Biomoleküle unter lebensnahen Bedingungen in höchster Auflösung untersuchen. Die nanoskalige Infrarotspektroskopie 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 hat nach einem ersten Proof-of-Concept nachgewiesen, 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.

Spektroskopie kombiniert mit Rasterkraftmikroskopie

Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) liefert Aufschluss über viele Eigenschaften von (biologischen) Proben, Molekülen und weicher Materie. Weil sie eine gewisse Probengröße erfordert, sind über einzelne Moleküle allerdings nur statistische Rückschlüsse möglich. Um einzelne Biomoleküle zu untersuchen, bietet sich die nanoskalige Spektroskopie (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscopy, s-SNOM) mit Infrarotlicht an. Dabei beleuchtet ein Infrarotstrahl die Spitze eines Rasterkraftmikroskops (Atomic force microscope, 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 zehn Nanometern.

Membrane als Schutzfilm

Biomoleküle befinden sich normalerweise in wässrigen Umgebungen und sind für klassische IR-Messungen schlecht geeignet, da Wasser einen Teil des Infrarotlichts absorbiert. Erste Proof-of-Concept-Studien zeigten aber 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.

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.

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Biologische Proben in wässrigen Umgebungen untersuchen

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.

„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.

Originalpublikation: Maria Eleonora Temperini, Cecilia Spedalieri, Antonia Intze, Valeria Giliberti, Michele Ortolani, Janina Kneipp, Alexander Veber: Understanding In-liquid Sample Environments for Infrared Nano-spectroscopy of Soft Materials, Analytical Chemistry (2026) 98 (36): 26722–26732; DOI: 10.1021/acs.analchem.6c03284 

Ergänzende Literatur

Vor wenigen Jahren wurde gezeigt, dass s-SNOM in wässriger Umgebung mithilfe von Silizium-Membranen funktionieren kann:

Korbinian J. Kaltenecker, Thorsten Gölz, Enrico Bau & Fritz Keilmann: Infrared-spectroscopic, dynamic near-field microscopy of living cells and nanoparticles in water, Sci. Rep. 11, Article number: 21860 (2021); DOI: 10.1038/s41598-021-01425-w.

Das Team um Alexander Veber hat diese Methode erstmals an einem Synchrotron eingesetzt.

Alexander Veber, Cecilia Spedalieri, Janina Kneipp: Nano-Infrared Imaging and Spectroscopy of Animal Cells in Liquid Environment, Small Volume 21, Issue 47 (2025); DOI: 10.1002/smll.202507097