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Strahlspaltungsansatz eröffnet neue Möglichkeiten der Untersuchung stark verdünnter Flüssigkeitsproben.
Forscherinnen und Forscher am European XFEL haben eine Methode entwickelt, um Flüssigkeitsproben zu untersuchen, die für viele gängige Experimente mit Röntgenlicht zu stark verdünnt sind. Die Methode ist äußerst sensitiv. Im ersten Experiment gelang es einer Gruppe internationaler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich Vitamin B12 in Wasser nach der Absorption von Licht verändert. Die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, ein viel breiteres Spektrum chemischer und biologischer Systeme zu untersuchen als bisher.
Viele wichtige Moleküle lassen sich mit Röntgenlicht nur in sehr geringen Konzentrationen untersuchen, entweder weil sie schlecht löslich sind oder weil nur geringe Mengen verfügbar sind. Das stellt eine große Herausforderung für Experimente in Flüssigkeiten dar: Das umgebende Wasser erzeugt oft ein viel stärkeres Signal als die relativ wenigen zu untersuchenden Moleküle, was die Messung extrem erschwert.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Forschende am SCS-Instrument (Spectroscopy and Coherent Scattering) am European XFEL eine spezielle Vorrichtung zur Strahlteilung. Sie spaltet jeden Röntgenimpuls in drei Teile: Einer durchläuft die Probe, während die anderen beiden als Referenz dienen. Durch den Abgleich aller drei Signale kann das Team Schwankungen korrigieren und Veränderungen identifizieren, die sonst zu schwach wären, um sie zu erkennen.
„Die Normalisierung jedes einzelnen Durchgangs ist entscheidend“ sagt Benjamin Van Kuiken, Wissenschaftler am SCS-Instrument. „Das verschafft uns die nötige Empfindlichkeit, um mit verdünnten Proben zu arbeiten.“
Seit langem offene Frage beantwortet
Die Forscherinnen und Forscher wählten Vitamin B12 als anspruchsvollen Testfall. „Vitamin B12 ist eine schwierig zu untersuchende Probe“ sagt Erstautorin Nahid Ghodrati, die mittlerweile als Postdoktorandin an einem anderen European XFEL-Instrument tätig ist. „Es löst sich nur begrenzt auf, das Wasser um es herum erzeugt ein starkes Hintergrundsignal, und die Veränderungen, die wir beobachten wollen, geschehen sehr schnell.“ Die Forschenden verwendeten nur etwa 9,5 Gramm Vitamin B12 pro Liter Wasser. Selbst unter diesen Bedingungen gelang es dem Team, extrem kleine, durch Licht ausgelöste Veränderungen nachzuweisen. Eine Abweichung des gemessenen Signals von nur 0,005 % war in den Ergebnissen sichtbar. Die ultraschnellen Veränderungen wurden durch Röntgenblitze erfasst, die nur 100 Billiardstel Sekunden dauerten.
Das Experiment hat nicht nur eine neue Methode demonstriert, sondern auch dazu beigetragen, eine seit langem offene Frage bezüglich Vitamin B12 zu beantworten: Was genau geschieht im Inneren des Moleküls, nachdem es Licht absorbiert hat? Die neuen Messungen deuten darauf hin, dass sich die Hauptveränderung auf das Kobaltatom im Zentrum des Moleküls konzentriert und keine größere Verschiebung von Elektronen über die gesamte Struktur hinweg stattfindet. „Die einzigartige Fähigkeit des SCS-Instruments, verdünnte Proben zu untersuchen, verschaffte uns Einblicke in die rasante Entwicklung der elektronischen Struktur des Moleküls, die wir sonst nirgendwo erhalten hätten“, sagt James Penner-Hahn, Professor an der University of Michigan, USA.
Neue Experimente werden möglich
Dies zeigt, dass der neue Ansatz selbst über schwer zu untersuchende Proben in Lösung aussagekräftige Informationen liefern kann. Die Forschungsgruppe erwartet, dass sich dadurch das Spektrum der am European XFEL möglichen Experimente erweitern wird. „Da wir nun biologisch und chemisch wichtige Moleküle untersuchen können, die bisher in Lösung und bei niedrigen Konzentrationen schwer zu untersuchen waren, rückt eine Menge neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse in greifbare Nähe“, sagt Andreas Scherz, leitender Wissenschaftler am SCS. Roseanne Sension, Professorin an der University of Michigan, fügt hinzu: „Durch den Zugang zu einer neuen Reihe biologisch und chemisch wichtiger Proben hat das SCS-Instrument das Spektrum der Proben, die wir untersuchen möchten, dramatisch erweitert.“
Benjamin Van Kuiken
benjamin.van.kuiken@xfel.eu
+49-40-8998-6545
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01860
https://www.xfel.eu/aktuelles/news/index_ger.html?openDirectAnchor=3015&two_...
Künstlerische Darstellung eines geteilten Strahls mit Vitamin B12 in einem Flüssigkeitsstrahl
Source: European XFEL/Laura Canil
Copyright: European XFEL/Laura Canil
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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