Je leest:

Enkel molecuul superscherp in beeld

Enkel molecuul superscherp in beeld

Is aftasten het nieuwe kristalliseren?

Auteur:

De vraag komt in elke scheikundeklas wel een keer langs:“kun je zo’n molecuul niet zien dan? Onder een supersterke microscoop misschien?” Scheikundeleraren hadden geen keus en moesten altijd ontkennend antwoorden. Maar nu niet meer. Twee onderzoekslabs presenteerden kort na elkaar hun methoden om één enkel molecuul haarscherp in beeld te brengen. Door voorzichtig af te tasten benaderden zij de scherpte van de zeer tijdrovende kristallografische structuurbepaling.

Small
De eerste pasfoto van een pentaceenmolecuul.

Zwitserse onderzoekers van IBM waren ietsjes eerder met hun ontdekking, die ze overigens deelden met hun Utrechtse collega’s van het Deybe Nano-instituut. Ze maakten vorig jaar goede sier met hun nog ietwat korrelige plaatje van pentaceen in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Het plaatje ontstond door één enkel molecuul af te tasten met een AFM-naald. Tot zover niks nieuws. Maar doordat ze een koolstofmonooxide molecuul aan de punt van de naald hingen, maten de onderzoekers meer dan alleen de hoogte van het molecuul.

Het quantummechanische Pauli-effect begon ook een rol te spelen. Dat is het principe dat twee elektronen nooit tegelijk op één plaats kunnen zijn. Als de elektronen van het CO-molecuul in de buurt komen van de elektronen van het pentaceen, stoten die elkaar af. Alle elektronen zijn namelijk negatief geladen, en net als twee magneetjes die je met de min-pool tegen elkaar probeert te houden, stoten die elkaar af. Daarmee maakten ze de eerste ‘foto’ van één los molecuul. In het Engelstalige filmpje hieronder leggen ze het nog eens uit:

Dit is revolutionair, omdat het ze nu zelfs lukte in het platte molecuul te kijken. En wat bleek? Het klassieke bol-en stokmodel dat in de scheikunde al jaren gebruikelijk is als theoretisch hulpmiddel, lijkt dichter bij de werkelijkheid te liggen dan het bolvullende model dat tot voor kort nog als realistischer werd beschouwd. Begin deze maand presenteerden ze een nieuwe doorbraak in hun onderzoek. Het lukte om een onbekend molecuul mede door deze methode te identificeren.

Nog scherper

Duitse onderzoekers van het Forschungszentrum Jülich deden daar nog een schepje bovenop. Zij verkregen een nog iets betere resolutie door niet een CO-molecuul, maar twee deuteriumatomen aan de punt van hun STM-tastnaald te hangen. De STM-methode tast niet alleen, maar meet ook de geleiding van kleine elektrische stroompjes door het monster heen. Bij de meting gebeurde echter iets geks met het Pauli-effect, dat niet voorkwam bij de gebruikelijke koolstof-naald.

Normaal gesproken wordt de geleiding door het monster (in dit geval het molecuul PTCDA) exponentieel groter als de naald het monster nadert. Logisch, want dan wordt de afstand die het stroompje door de lucht moet afleggen, kleiner. Kleine verschillen in stroom worden dan moeilijk te meten. Maar in dit experiment steeg de geleiding maar een klein beetje, en zakte soms zelfs iets in. De onderzoekers leggen uit dat het Pauli-effect in dit geval een ander eindresultaat heeft. De elektronen van het deuterium ‘duwen’ de elektronen van het PTCDA in een andere baan rond hun kern. Daardoor komt er ruimte voor de deuterium-elektronen om nog dichter bij het PTCDA te komen en kan de deuterium-naald dus nauwkeuriger te meten.

Medium
Bovenaan het beeld van een gewone STM-tastmicroscoop. In het midden het beeld van de Duitse groep en onderaan de molecuulformule van PTCDA.
Forschungszentrum Jülich

Nuttig?

De plaatjes komen aardig dicht in de buurt van de kristallografische plaatjes die de gouden standaard vormen. Maar in tegenstelling tot die methode, die heel tijdrovend kan zijn, is deze meting in een dagje gepiept.

Voor kleine moleculen is het verschil nog niet zo groot, maar met eiwitten zou dit veel kunnen schelen. “Eiwitkristallografie laat je de driedimensionale stuctuur van een molecuul bepalen. Het is een krachtige methode, maar werkt helaas niet voor alle eiwitten. Het zou geweldig zijn als we met deze nieuwe STM-methode die lastige eiwitten kunnen onderzoeken”, aldus promovendus eiwitkristallografie Willem Jan Waterreus van de Universteit Leiden.

Voorlopig werkt de STM-methode alleen voor platte, kleine moleculen. Eiwitten daarentegen zijn bolletjes en bovendien een stuk groter. Zelf denken de onderzoekers dat het kan. Waterreus denkt echter dat het zo’n vaart niet zal lopen: “Ik denk dat het nog wel even zal duren voordat het zover is. De ervaring leert dat het werken met eiwitten erg lastig kan zijn.”

De methode is volgens natuurkundig professor Jan Ruitenbeek wellicht dan ook nuttiger voor het identificeren van moleculen. De makers van de methode gaan daar nu ook het eerst op inzetten. Uit de geleiding van de STM-stroompjes zou namelijk theoretisch ook te bepalen moeten zijn, over welk atoom het binnen een molecuul gaat.

De atomaire-krachtmicroscoop uit 1986 behoort tot een nieuwe generatie van microscopen. Gerd Binning en Heinrich Rohrer inspireerden zich op hun scanning tunneling microscoop, waarvoor ze datzelfde jaar de Nobelprijs kregen. Een scanning tunneling microscoop (STM) ‘kijkt’ niet naar een object maar tast, als een blinde met blindenstok, het voorwerp af. Het centrale deel van de microscoop is de probe waarmee een voorwerp wordt afgetast. Het puntje van deze probe, de tip, is zo scherp dat het in één enkel atoom eindigt. Omdat er altijd een kleine elektrische stroom tussen de probe en het af te beelden voorwerp moet lopen, blijven ook de toepassingen van STM beperkt tot het aftasten van elektrisch geleidende oppervlakken.

Atomaire-krachtmicroscopie (AFM) combineert een uiterst sterke vergroting met de mogelijkheid om in vloeistof te meten. De probe is geen geleidende naald, maar een minuscuul hefboompje, met erop een scherpe tip (A). De tip drukt op het oppervlak en de bladveer buigt door. De doorbuiging is het gevolg van de afstotende kracht tussen probe en object. Die kracht treedt op wanneer de afstand tussen object en probe zodanig klein wordt gemaakt dat de elektronenbanen van de atomen elkaar overlappen. Wanneer de tip over het preparaat beweegt, volgt daaruit heel precies het hoogteprofiel van een object. Deze beweging wordt geregistreerd door een laserstraal die vanaf het hefboompje terugkaatst naar een detector (B). Door deze beweging in een raster uit te voeren kan de computer punt voor punt een beeld opbouwen. Dat zien de onderzoekers gebeuren op een monitor.

Lees meer op Kennislink over tastmicroscopie: Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/afm-tastmicroscoop/afm/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 augustus 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE