Forskare har utvecklat ett spektroskopiskt mikroskop för att möjliggöra optiska mätningar av molekylära konformationer och orienteringar i biologiska prover. Den nya mättekniken gör det möjligt för forskare att avbilda biologiska prover på mikroskopisk nivå snabbare och mer exakt.

Det nya instrumentet är baserat på den diskreta frekvensinfraröda spektroskopiska bildtekniken som utvecklats av forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois Urbana-Champaign.

"Detta projekt handlar om att föra studiet av molekylär kiralitet in i den mikroskopiska domänen, "sa Rohit Bhargava, professor i bioteknik, och chef för Cancer Center i Illinois.

Molekylär kiralitet avser atoms rumsliga orientering i molekyler eller multimolekylära sammansättningar. I biologiska system, en molekyl kan framkalla ett cellulärt svar, medan dess spegelbild kan vara inaktiv eller till och med giftig. Medan vibrationell cirkulär dikroism kan användas för att bestämma en molekyls kemiska struktur och orientering, VCD-mätningar är tidskrävande och kan inte tidigare användas för att avbilda komplexa biologiska system eller fasta vävnadsprover.

Papperet "Concurrent Vibrational Circular Dichroism Measurements with Infrared Spectroscopic Imaging" publicerades i Analytisk kemi och med på omslaget.

Det nya infraröda mikroskopet möjliggör avbildning av biomolekylkiralitet genom att accelerera både förvärvstiden och förbättra signal-brusförhållandet för traditionella VCD-tekniker. "När du skickar ljus ner i ett mikroskop från en spektrometer, du slänger i princip mycket av det, "Sa Bhargava." För VCD -mätningar, du måste också skicka den via en fotoelastisk modulator, som ändrar ljusets polarisering till vänster- eller högerhänt. Vid det tillfället, du har inte mycket ljus kvar, vilket innebär att du måste genomsnittliga din signal under lång tid för att bara se en pixel i en bild. "

The Chemical Imaging and Structures Laboratory, ledd av Bhargava, uppnådde snabba och samtidiga infraröda och VCD-mätningar genom att bygga på ramen för deras högpresterande diskreta frekvens infraröda avbildningsmikroskop. Istället för att använda en traditionell termisk ljuskälla, instrumentet är byggt kring en kvantkaskadlaser.

"Laserkällan motiverade hela designen, " sa Yamuna Phal, doktorandforskare i el- och datateknik. "QCL-källan har högre effekt, vilket innebär att vi kan få snabbare mätningar. Tidigare, du kan bara utföra VCD på vätskeprover, men vi kan också bilda fasta vävnader. Detta försöktes aldrig tidigare eftersom det tar så lång tid att få VCD-signaler i första hand."

Kevin Yeh, en postdoktor, som ledde utvecklingen av mikroskopet, hävdade att andra applikationer kan uppstå från det mikroskop som byggdes för detta projekt. "Vi föreställde oss från början det diskreta frekvensinfraröda mikroskopet som en plattform på vilken andra tekniker kunde byggas, " Sa Yeh. "Vi har löst en av dessa tillägg, vilket är VCD, men vi kunde tänka oss många andra. "

Även om tillämpningarna av denna teknik kan sträcka sig över de biologiska vetenskaperna, själva arbetet är ett bevis på styrkan i tvärvetenskaplig vetenskap. "Detta projekt var endast möjligt genom att sammanföra tänkande från olika områden, "Sa Bhargava." Det är ett kemiproblem som löses med en fysikbaserad design, genomfört av en elteknikerstudent. Det ligger i vårt DNA hos Beckman att ta den typen av tillvägagångssätt för att lösa problem. "