Onderzoekers hebben een spectroscopische microscoop ontwikkeld om optische metingen van moleculaire conformaties en oriëntaties in biologische monsters mogelijk te maken. Met de nieuwe meettechniek kunnen onderzoekers biologische monsters sneller en nauwkeuriger op microscopisch niveau in beeld brengen.

Het nieuwe instrument is gebaseerd op de discrete frequentie-infraroodspectroscopische beeldvormingstechniek die is ontwikkeld door onderzoekers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois.

"Dit project gaat over het brengen van de studie van moleculaire chiraliteit in het microscopische domein, " zei Rohit Bhargava, een professor in de bio-engineering, en de directeur van het Cancer Center in Illinois.

Moleculaire chiraliteit verwijst naar de ruimtelijke oriëntatie van atomen in moleculen of assemblages van meerdere moleculen. In biologische systemen, één molecuul kan een cellulaire reactie uitlokken, terwijl het spiegelbeeld inactief of zelfs giftig kan zijn. Hoewel vibrationeel circulair dichroïsme kan worden gebruikt om de chemische structuur en oriëntatie van een molecuul te helpen bepalen, VCD-metingen zijn tijdrovend en konden voorheen niet worden gebruikt om complexe biologische systemen of vaste weefselmonsters in beeld te brengen.

Het artikel "Concurrent Vibrational Circular Dichroism Measurements with Infrared Spectroscopic Imaging" werd gepubliceerd in Analytische scheikunde en staat op de omslag.

De nieuwe infraroodmicroscoop maakt beeldvorming van de chiraliteit van biomoleculen mogelijk door zowel de acquisitietijd te versnellen als de signaal-ruisverhouding van traditionele VCD-technieken te verbeteren. "Als je vanuit een spectrometer licht door een microscoop stuurt, je gooit er eigenlijk veel van weg, " zei Bhargava. "Voor VCD-metingen, je moet het ook door een foto-elastische modulator sturen, die de polarisatie van licht verandert in links- of rechtshandig. Op dat punt, je hebt niet veel licht meer, wat betekent dat je je signaal lange tijd moet middelen om slechts één pixel in een afbeelding te zien."

Het laboratorium voor chemische beeldvorming en structuren, geleid door Bhargava, bereikten snelle en gelijktijdige infrarood- en VCD-metingen door voort te bouwen op het raamwerk van hun hoogwaardige discrete frequentie infraroodbeeldvormingsmicroscoop. In plaats van een traditionele thermische lichtbron te gebruiken, het instrument is gebouwd rond een kwantumcascadelaser.

"De laserbron motiveerde het hele ontwerp, " zei Yamuna Phal, een afgestudeerde student-onderzoeker in elektrische en computertechniek. "De QCL-bron heeft een hoger vermogen, wat betekent dat we snellere metingen kunnen verkrijgen. Eerder, je kon alleen VCD uitvoeren op vloeibare monsters, maar we kunnen ook vaste weefsels in beeld brengen. Dit is nog nooit eerder geprobeerd omdat het zo lang duurt om VCD-signalen te verwerven."

Kevin Ja, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker, die mede leiding gaf aan de ontwikkeling van de microscoop, beweerde dat andere toepassingen zouden kunnen voortkomen uit de microscoop die voor dit project is gebouwd. "We hadden aanvankelijk de discrete frequentie-infraroodmicroscoop voor ogen als een platform waarop andere technieken konden worden gebouwd, "Ja, zei. "We hebben een van deze extensies opgelost, dat is VCD, maar we kunnen ons nog vele andere voorstellen."

Hoewel de toepassingen van deze techniek de biologische wetenschappen kunnen omvatten, het werk zelf is een bewijs van de kracht van interdisciplinaire wetenschap. "Dit project was alleen mogelijk door het denken uit verschillende vakgebieden samen te brengen, " zei Bhargava. "Het is een scheikundig probleem dat is opgelost door een op fysica gebaseerd ontwerp, uitgevoerd door een student elektrotechniek. Het zit in ons DNA bij Beckman om op die manier problemen op te lossen."