Forscher haben eine neue Methode entwickelt, die eine präzisere Platzierung von biologischen Proben im Strahl von Röntgenlasern verspricht: Sie konstruierten einen optischen Trichter, der einen Strom von Proteinen, Viruspartikeln oder anderen Nano-Teilchen präzise zur Analyse in den feinen Strahl eines Röntgenlasers leiten kann.
Der Trichter besteht aus einem speziell modifizierten Lichtstrahl, der Partikel in seinem Zentrum einfängt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen derartigen optischen Fallen nutzt der Trichter thermische Effekte, um die Partikel zu kontrollieren. Das Team um Andrei Rode von der Australischen Nationaluniversität in Canberra, zu dem auch Forscher von CUI gehören, stellt sein Konzept im Fachblatt „Physical Review Applied“ vor. Die Forscher testeten ihren optischen Trichter mit Hilfe von Graphit- und geschwärzten Glas-Mikrokügelchen.
Partikel im optischen Trichter werden an den Seiten aufgeheizt und so in den dunklen Zentralbereich geleitet. Bild: N. Eckerskorn et al., Phys. Rev. Applied (2015)
Mit Hilfe von Röntgenstrahlen analysieren Forscher die räumliche Struktur von Biomolekülen, um etwas über ihre Funktionsweise zu erfahren. Das fördert nicht nur das bessere Verständnis grundlegender biologischer Prozesse, sondern eröffnet auch neue Wege für die Entwicklung maßgeschneiderter Medikamente. Für die Analyse werden üblicherweise kleine Kristalle aus den Biomolkülen gezüchtet und mit Röntgenlicht bestrahlt. Dabei entsteht ein charakteristisches Beugungsmuster, aus dem sich die räumliche Struktur des untersuchten Moleküls berechnen lässt. „Da Biomoleküle oft sehr schwer zu kristallisieren sind, arbeiten wir auch an Wegen, um einzelne Moleküle mit dem extrem intensiven Licht von Freie-Elektronen-Röntgenlasern direkt zu analysieren“, erläutert CUI-Forscher und Ko-Autor Prof. Jochen Küpper (Universität Hamburg, DESY), der am CFEL die Gruppe für Controlled Molecule Imaging leitet.
In beiden Fällen sind tausende von Beugungsbildern nötig, um die Molekülstruktur zu berechnen. Da jeder Kristall – oder jedes Einzelmolekül – vom intensiven Blitz eines Röntgenlasers sofort zerstört wird, müssen viele Tausend Proben durch den Strahl geleitet werden, von denen außerdem normalerweise nur ein Bruchteil tatsächlich von einem Laserblitz getroffen wird. Je enger der Strom dieser Proben gebündelt ist, desto effizienter lässt er sich nutzen. Moderne Methoden können den Strahl immerhin auf etwa 50 Mikrometer zusammenquetschen. Allerdings ist ein typischer Röntgenlaserstrahl mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometern noch 500 Mal dünner. Lässt man die Proben in einer Flüssigkeit durch den Laserstrahl spritzen, können sie zwar stärker gebündelt werden, die Trägerflüssigkeit kann jedoch das Beugungsbild stören. „Das macht den optischen Trichter so interessant“, betont CUI-Forscher Prof. Henry Chapman (Universität Hamburg, DESY), der am CFEL die Abteilung für Coherent Imaging leitet. Der Trichter funktioniert in Luft und im Vakuum, und das schmale Ende, zu dem die Partikel dirigiert werden, ist nur wenige Mikrometer breit.
Lichtfallen wie etwa optische Pinzetten arbeiten normalerweise mit den direkten Wirkungen des Lichts wie etwa einem Impulsübertrag oder Effekten des elektrischen Felds, um ein Objekt in Wasser zu manipulieren. Thermische Effekte werden durch das Wasser minimiert, das die Wärme effizient ableitet. In einem Gas ist die Wärmeleitfähigkeit dagegen viel geringer, so dass sich ein Objekt auf der lichtzugewandten Seite aufheizen kann. Gasmoleküle, die auf der warmen Seite mit dem Objekt kollidieren, werden dann mit einem größeren Impuls abgestoßen als auf der kalten Seite. Diese Impulsdifferenz sorgt für eine sogenannte photophoretische Kraft, die das Objekt von der heißen zur kalten Seite schiebt und damit von der hellen zur dunklen Region.
Für ihren Trichter nutzten die Forscher einen optischen Wirbel, der von einem Lichtstrahl mit einer schraubenförmigen Wellenfront gebildet wird. Dadurch entsteht im Zentrum des Strahls eine dunkle Region, in der die Lichtintensität auf null fällt. Eine optische Linse gab dem Lichtstrahl die gewünschte Trichterform. Um ihr Konzept zu testen, füllten die Forscher winzige Graphitkügelchen mit Durchmessern zwischen 12 und 20 Mikrometern sowie etwas größere, graphitbeschichtete Glaskügelchen in den optischen Trichter und maßen die photophoretischen Kräfte, die auf diese Kügelchen wirkten. Vorteil der Methode ist, dass die photophoretischen Kräfte viel stärker sein können als die direkten Lichtkräfte. Ein erwünschter Seiteneffekt dabei ist, dass die Partikel die meiste Zeit in der dunklen Region des Trichters verbringen, wodurch ein unter Umständen schädliches Aufheizen vermieden wird. Forscher nennen dieses Konzept eine dunkle optische Falle.
Zwar wurden die Messungen nicht direkt mit Proteinen und anderen Biomolekülen durchgeführt, die Wissenschaftler erwarten jedoch, dass diese sich ähnlich verhalten. Denn Biomoleküle sind normalerweise weniger wärmeleitfähig als die Graphitkügelchen und dürften so eine ähnliche Temperaturdifferenz ausbilden. In weiteren Experimenten hoffen die Forscher, diese Annahme zu bestätigen und den optischen Trichter für den Einsatz an Röntgenlasern zu optimieren.
Originalarbeit:
Niko Eckerskorn, Richard Bowman, Richard A. Kirian, Salah Awel, Max Wiedorn, Jochen Küpper, Miles J. Padgett, Henry N. Chapman, and Andrei V. Rode
„Optically Induced Forces Imposed in an Optical Funnel on a Stream of Particles in Air or Vacuum“
„Physical Review Applied“ 4, 064001, 2015;
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.4.064001 – Selected as Editor’s Choice
Weitere Informationen:
American Physical Society „Focus“ (englisch): https://physics.aps.org/articles/v8/121