Neuartige Mikroskopie zur Chiralitätsmessung Rechts- und linkshändige Nanopartikel unterscheiden

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Ob ein Molekül rechts- oder linkshändig ist, kann den Unterschied zwischen einem heilenden Wirkstoff und einem tödlichen Gift ausmachen. Die Untersuchung der so genannten Chiralität ist also ein wichtiges Instrument. Um sogar einzelne Nanoteilchen auf ihre Händigkeit hin zu analysieren, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme ein neuartiges Spektroskopie-Mikroskop entwickelt.

Stuttgart – Egal ob Zucker, DNA, Aminosäuren oder Proteine: Fast alle Biomoleküle haben prinzipiell sowohl eine linkshändige als auch eine rechtshändige Form. Sie sind chiral, also zueinander wie Bild und Spiegelbild. In der Natur nehmen die meisten Biomoleküle allerdings nur jeweils eine der zwei möglichen Formen ein.

Auch alle lebenden Organismen, viele Objekte und die meisten Pharmazeutika sind chiral. Daher ist es wichtig, die Chiralität bzw. Händigkeit von Proben bestimmen zu können. Das kann mithilfe von links- oder rechtsdrehendem polarisierten Licht geschehen: Ein rechtshändiges Objekt absorbiert und streut das rechtsdrehende Licht anders als ein linkshändiges Objekt. Da die ermittelten Unterschiede sehr gering sind, verwenden übliche Instrumente Milliarden von Teilchen (Partikel oder Moleküle) zur Bestimmung der Chiralität. Aus diesem Grund werden große Proben benötigt, die zum einen teuer sein können und zum anderen dazu führen, dass interessante Details der individuellen Teilchen aufgrund von Mittelungen über die Menge aller Teilchen verloren gehen.

Die Schwierigkeiten der Chiralitätsmessung

Wissenschaftlern der Forschergruppe Mikro, Nano und Molekulare Systeme am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme ist es nun gelungen, die Händigkeit einer einzelnen Nanostruktur zu bestimmen. Dafür nutzten sie Gold- und Silber-Nanostrukturen, die üblicherweise als optische Antennen eingesetzt werden, um Signale zu verstärken.

Die Nanoantennen sind aber auch für die chirale Spektroskopie vielversprechende Werkzeuge. Allerdings erfordert es die Bestimmung der Händigkeit, den Unterschied zwischen links- und rechtsdrehender Polarisation zu messen. Bisher musste die jeweilige Nanostruktur deshalb an einer Oberfläche fixiert werden, während zwei unabhängige Messungen für links- und rechtsdrehende Polarisation durchgeführt wurden. Das erzeugte eine beträchtliche Zahl von Falschmessungen in Form von Messartefakten. Im Ergebnis konnten deshalb sogar nicht-händige Objekte chiral erschienen.

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Das wahre chirale Spektrum einzelner Teilchen

Das neuentwickelte Mikroskop-Spektrometer der MPI-Forscher ermöglicht nun eine verlässlichere Chiralitätsmessung selbst kleinster Teilchen. Es registriert beide Polarisationen simultan und erlaubt erstmals, ein sich dynamisch bewegendes, einzelnes Nanoteilchen in Lösung zu beobachten. Mit diesem Ansatz ist es nun möglich, das wahre chirale Spektrum eines einzelnen Nanopartikels aufzuzeichnen. So liefert das Mikroskop eine neue Messgröße, die zuvor unzugänglich war.

„Bei der klassischen Methode messen wir den Durchschnitt von Milliarden von Nanoteilchen. Als Folge von unvermeidbaren Unreinheiten während der Herstellung der Nanostrukturen, ist das aufgezeichnete Signal immer nur ein Mittelmaß von vielen leicht voneinander abweichenden Formen. Im Gegensatz dazu ist unser neuartiges Mikroskop-Spektrometer in der Lage, eine einzelne Nanostruktur zu untersuchen“, sagt Peer Fischer, der als Leiter der Forschungsgruppe für Mikro-, Nano- und Molekulare Strukturen die Forschungsarbeit betreut hat und Professor an der Universität Stuttgart ist.

Ein Teilchen, aus allen Richtungen erfasst

Eine besondere Herausforderung war es, eine neuartige Versuchsanordnung zu entwickeln, die simultan – also mit nur einer Belichtung –rechts- und linksdrehende Spektren bestimmt. „Das Konzept ist ebenso einfach wie genial“, sagt Johannes Sachs, einer der Studienautoren. „Die Technik verwendet nur feststehende Polarisationsoptik zur räumlichen Trennung des links- und rechtsdrehenden Lichts, um es letztendlich auf verschiedenen Bereichen eines speziellen Kameradetektors abzubilden.“

Die Wissenschaftler nutzen das Mikroskop, um die optischen Spektren von Nanopartikeln in Echtzeit zu bestimmen und somit zeitaufgelöste Messungen durchzuführen. Dieses neuartige Instrument macht deutlich, wie empfindlich das chirale Spektrum eines einzelnen Nanoteilchens von seiner Orientierung abhängt. Des Weiteren zeigte das Forscherteam, dass sie die Brown´sche Bewegung für ihre Zwecke nutzen können. Dank dieser zufälligen thermischen Fluktuation, die jedes kleine Objekt erfährt, lassen sich die Nanoteilchen aus allen Winkeln beobachten. Dies liefert die gleiche Information wie das bei den üblicherweise an gemittelten Proben gemessene Spektrum – jedoch beobachtet an einem einzelnen Teilchen statt an mehreren Milliarden Teilchen.

Neue Möglichkeiten der Reaktionsanalyse

Die Forscher sind sich sicher, dass ihre Erkenntnisse und das neue Konzept eine vielversprechende Plattform für künftige Anwendungen bieten wird. „Die Beobachtung von einzelnen Teilchen erlaubt es, mit extrem kleinen Probenvolumina und hoher räumlicher Auflösung zu arbeiten, z.B. innerhalb von individuellen Zellen“, sagt Studienautor Sachs.

Zudem ist das Spektrum eines einzelnen metallischen Nanoteilchens hochempfindlich gegenüber Veränderungen seiner direkten Umgebung, beispielsweise wenn ein anderes Teilchen in seine Nähe kommt oder wenn ein an ihm fixiertes Protein seine Faltung ändert. „Somit kann die Möglichkeit, das chirale Spektrum eines einzelnen Teilchens zeitaufgelöst untersuchen zu können, lokale Reaktionsprozesse im Detail deutlich machen – und ist damit interessant für die Erforschung von biochemischen, medizinischen oder biologischen Prozessen“, ergänzt Sachs‘ Kollege und Mitautor Jan-Philipp Günther. „Das würde in konventionellen Messungen, die die Reaktionen von einer großen Teilchenzahl mitteln, verdeckt bleiben.“

Originalpublikation: Johannes Sachs, Jan-Philipp Günther, Andrew G. Mark Chiroptical spectroscopy of a freely diffusing single nanoparticle, Nature Communications volume 11, Article number: 4513 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18166-5

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

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