Je leest:

Kijken naar kromme oppervlakken

Kijken naar kromme oppervlakken

Auteur: | 12 januari 2004

Combinatie van moderne laserspectroscopie met oude lichttheorie maakt het mogelijk tot in detail gekromde oppervlakken van deeltjes in oplossingen te onderzoeken zoals celmembranen, liposomen en nanodeeltjes. Onderzoekers van de Universiteit Leiden zetten daarmee de eerste stap op weg naar het bekijken van moleculen in het membraan van een levende cel.

In de chemie, de natuurkunde en de biologie spelen oppervlakken een niet te onderschatten rol. Allerlei belangrijke chemische, fysische en biologische processen vinden er aan plaats. Denk bijvoorbeeld aan katalyse – het versnellen van chemische reacties – waarbij vaak gebruik gemaakt wordt van minuscule deeltjes die aan hun oppervlak van actieve moleculen zijn voorzien. Ook in de atmosfeer vinden veel reacties plaats aan het oppervlak van deeltjes, zoals aerosolen en stofdeeltjes. Een biologisch uiterst relevant oppervlak is het celmembraan.

De belangrijke rol van de oppervlakken is te danken aan het feit dat ze een specifieke samenstelling en structuur hebben. Begrip van de structuur en werking van deze oppervlakken in hun ‘natuurlijke’ omgeving is daarom van groot belang voor het begrijpen van de moleculaire processen en het daarmee ontwikkelen van nieuwe technologieën.

Schematische weergave van het oppervlak van een cel. Beeld: Auburn University

Femtoseconde laser

Het is verre van eenvoudig om oppervlakken zoals celmembranen of katalysatordeeltjes tot in detail te bestuderen in de oplossing waarin ze actief zijn. Microscopische technieken zoals fluorescentiemicroscopie en atoomrastermicroscopie brengen de deeltjes wel in beeld, maar geven weinig inzicht in de moleculaire structuur van het oppervlak.

De gebruikelijke spectroscopische technieken waarmee wel informatie over de moleculaire structuur valt te verkrijgen, zijn niet te gebruiken omdat de vloeistof om de deeltjes heen de meting te sterk beïnvloedt. En nieuwe methoden met hele sterke lasers, die zogenaamde niet-lineair optische effecten introduceren, werken alleen aan vlakke oppervlakken. Dat werkt dus niet bij bolle materialen zoals cellen en nanodeeltjes.

Wetenschappers van de Universiteit Leiden zijn er nu – met subsidie van de stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) – in geslaagd een nieuwe krachtige spectroscopische techniek toch geschikt te maken voor gekromde oppervlakken in oplossing. Het betreft de zogenaamde som-frequentiegeneratie (SFG) met behulp van femtoseconde lasersystemen. Daarbij combineren twee tegelijkertijd ingestraalde korte laserpulsen aan het te bestuderen oppervlak tot een nieuw lichtsignaal. Dat nieuwe signaal bevat dan de informatie over de moleculen die aan het oppervlak aanwezig zijn.

Som-frequentiegeneratie (SFG) is een niet-lineair optisch effect dat alleen optreedt bij zeer hoge lichtintensiteiten zoals in de pulsen van femtoseconde lasers. Er zijn twee laserbundels voor nodig, die tegelijkertijd en op dezelfde plaats het oppervlak beschijnen. Onder de juiste omstandigheden is er sprake van een ‘opteleffect’ en ontstaat een nieuwe lichtbundel met een specifieke kleur. Deze uittredende bundel is het gevolg van de interactie van de laserpulsen met de moleculen aan het oppervlak. De kleur (golflengte) en intensiteit van deze bundel bevat gedetailleerde informatie over moleculaire structuur en conformatie van de oppervlakte-moleculen.SFG is een oppervlakte-specifieke techniek omdat alleen bij de reflectie van de bundels aan het oppervlak de ‘optelling’ kan plaatsvinden. Daardoor worden alleen de trillingen van moleculen aan het oppervlak zichtbaar gemaakt, en niet die van moleculen in het omliggende oplosmiddel. Beeld: Universiteit Leiden

SFG is een reflectieve techniek, en daarin zit het probleem verscholen waarvoor de Nederlandse onderzoekers nu een oplossing hebben gevonden. Reflectie werkt heel goed aan vlakke oppervlakken, maar niet aan gekromde oppervlakken. In dat geval raakt het laserlicht verstrooid, waardoor er een heel ‘vaag’ SFG signaal ontstaat.

De onderzoekers vonden een uitweg uit deze impasse door terug te grijpen op een theorie over de verstrooing van licht, al in de 19e eeuw opgesteld door de Engelse Lord Rayleigh en de Nederlander Peter Debye. Met een aanpassing van deze oude theorie bleek het mogelijk het verstrooide signaal toch terug te voeren op de oriëntatie en ordening van moleculen aan het oppervlak van de deeltjes in oplossing.

Kluwens

Dat de nieuwe aanpak werkt, toonden de onderzoekers aan met behulp van een ‘modelsysteem’ van minuscule glasbolletjes in een oplossing. De bolletjes, vervaardigd bij de Universiteit Utrecht, hadden een doorsnede van enkele honderden nanometers en waren bedekt met lange koolstofketens. Ze werden bestraald met twee kleuren laserlicht: infrarood en net zichtbaar rood licht . De eerste kleur heeft precies de juiste golflengte om verschillende trillingen te genereren in de moleculen aan het oppervlak van de bolletjes. De tweede puls heeft het SFG-effect tot gevolg, zodat de trillingen zichtbaar worden.

De verkregen gegevens bleken met de nieuw ontwikkelde theorie uitstekend te interpreteren. Behalve tot een bevestiging van de haalbaarheid van de nieuwe aanpak leidde dat ook tot een opmerkelijke vaststelling: de haren op de bolletjes- de koolstofketens – staan niet netjes naast elkaar (wat men altijd had aangenomen) maar vormen een warrige kluwen. De gebruikelijke weergave van bolletjes met strak uitstaande haren, blijkt nu dus niet correct te zijn. De onderzoekers willen met de nieuwe techniek nu verder onderzoek gaan doen naar het gedrag van de ketens aan het oppervlak van de bolletjes.

Schematische weergave van het SFG-experiment met de ‘behaarde’ glasbolletjes. Beeld: Universiteit Leiden

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 januari 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.