Spettroscopia infrarossa su scala nanometrica con BESSY II Analisi di singole biomolecole in ambiente acquoso

La spettroscopia IR classica raggiunge i propri limiti quando si tratta di campioni acquosi. Con la s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy), invece, è possibile rilevare anche singole biomolecole ad alta risoluzione. Un nuovo studio ha ora convalidato questo metodo presso la linea di luce BESSY-II dell’Helmholtz-Zentrum di Berlino.

Presso la linea di luce a infrarossi BESSY-II dell’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), gli scienziati possono ora analizzare campioni biologici minuscoli e persino singole biomolecole in condizioni simili a quelle naturali e con la massima risoluzione. A tal fine, la spettroscopia infrarossa su scala nanometrica è stata perfezionata e accuratamente convalidata. Membrane ultrasottili a base di silicio consentono inoltre di effettuare le analisi in mezzo acquoso.

Un team internazionale guidato dall’esperto dell’HZB, il dott. Alexander Veber, ha dimostrato, dopo una prima prova di concetto, che le misurazioni Nano-IR in ambiente acquoso corrispondono agli spettri IR in campo lontano previsti. Questo progresso metodologico consente ora di approfondire la conoscenza dei biomateriali, ma anche di osservare i processi catalitici in ambienti liquidi.

Spettroscopia combinata con la microscopia a forza atomica

La spettroscopia infrarossa (spettroscopia IR) fornisce informazioni su molte proprietà di campioni (biologici), molecole e materia morbida. Poiché richiede una certa dimensione del campione, tuttavia, riguardo alle singole molecole è possibile trarre solo conclusioni di natura statistica. Per studiare singole biomolecole, è indicata la spettroscopia su scala nanometrica (Scanning Near-field Optical Microscopy di tipo a diffusione, s-SNOM) con luce infrarossa. In questo caso, un raggio infrarosso illumina la punta di un microscopio a forza atomica (Atomic force microscope, AFM) mentre questa scansiona il campione. La luce retrodiffusa fornisce informazioni ottiche locali sull’interazione in campo vicino tra la punta e il campione con una risoluzione che può raggiungere i dieci nanometri.

La membrana come film protettivo

Le biomolecole si trovano solitamente in ambienti acquosi e non sono particolarmente adatte alle misurazioni IR classiche, poiché l’acqua assorbe parte della luce infrarossa. Tuttavia, già da tempo alcuni studi di prova di fattibilità hanno dimostrato che la tecnica s-SNOM può funzionare in ambiente liquido se si utilizzano membrane ultrasottili di nitruro di silicio o carburo di silicio tra la punta dell’AFM e il campione : le membrane fungono da film protettivo e sono trasparenti nella regione dell’infrarosso medio. Mancava tuttavia un test comparativo completo che mettesse in relazione queste misurazioni locali in campo vicino con spettri di riferimento IR in campo lontano consolidati e ben noti.

Per colmare questa lacuna, un team internazionale guidato dal dott. Alexander Veber ha condotto uno studio sistematico su diverse membrane ultrasottili a base di silicio. I ricercatori sono riusciti a dimostrare che gli spettri nano-IR ad alta risoluzione in ambienti acquosi sono direttamente correlati alle firme IR standard in campo lontano.

«Abbiamo testato sistematicamente diverse membrane di silicio e analizzato i campioni sia allo stato secco che in ambiente acquoso», afferma la dott.ssa Maria Eleonora Temperini, prima autrice dello studio. Tra i campioni figuravano l’albumina sierica bovina e molecole di DNA, nonché fibrille della proteina α-sinucleina, che svolgono un ruolo nella malattia di Alzheimer.