Spectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique avec BESSY II Analyser des biomolécules individuelles en milieu aqueux

La spectroscopie IR classique atteint ses limites avec les échantillons aqueux. La technique s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) permet en revanche d'observer même des biomolécules isolées avec une haute résolution. Une nouvelle étude vient de valider cette méthode sur la ligne de rayonnement BESSY-II du Centre Helmholtz de Berlin.

Sur la ligne de lumière infrarouge BESSY-II du Centre Helmholtz de Berlin (HZB), les scientifiques peuvent désormais étudier de minuscules échantillons biologiques, voire des biomolécules isolées, dans des conditions proches de celles de la vie réelle et avec une résolution maximale. La spectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique a été améliorée et validée de manière approfondie à cette fin. Des membranes ultra-minces à base de silicium permettent ainsi de réaliser ces analyses en milieu aqueux.

Une équipe internationale dirigée par le Dr Alexander Veber, expert du HZB, a démontré, à l'issue d'une première validation de principe, que les mesures nano-IR réalisées en milieu aqueux concordaient avec les spectres IR en champ lointain attendus. Cette avancée méthodologique permet désormais d'approfondir la compréhension des biomatériaux, mais aussi d'observer les processus catalytiques en milieu liquide.

Spectroscopie combinée à la microscopie à force atomique

La spectroscopie infrarouge (spectroscopie IR) fournit des informations sur de nombreuses propriétés des échantillons (biologiques), des molécules et de la matière molle. Cependant, comme elle nécessite des échantillons d’une certaine taille, elle ne permet de tirer que des conclusions statistiques sur les molécules individuelles. Pour étudier des biomolécules individuelles, la spectroscopie à l'échelle nanométrique (microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion, s-SNOM) utilisant la lumière infrarouge est particulièrement adaptée. Dans ce procédé, un faisceau infrarouge éclaire la pointe d’un microscope à force atomique (Atomic force microscope, AFM) tandis que celle-ci balaye l’échantillon. La lumière rétrodiffusée fournit des informations optiques locales sur l’interaction en champ proche entre la pointe et l’échantillon, avec une résolution pouvant atteindre dix nanomètres.

La membrane comme film protecteur

Les biomolécules se trouvent généralement dans des milieux aqueux et ne se prêtent guère aux mesures IR classiques, car l'eau absorbe une partie de la lumière infrarouge. Cependant, de premières études de validation de principe ont montré il y a déjà quelque temps que la technique s-SNOM peut fonctionner en milieu liquide si l'on utilise des membranes ultrafines en nitrure de silicium ou en carbure de silicium entre la pointe de l'AFM et l'échantillon – ces membranes agissent comme un film protecteur et sont transparentes dans le domaine de l’infrarouge moyen. Il manquait toutefois un test comparatif complet permettant de mettre en relation ces mesures locales en champ proche avec des spectres de référence IR en champ lointain établis et connus.

Afin de combler cette lacune, une équipe internationale dirigée par le Dr Alexander Veber a mené une étude systématique portant sur différentes membranes ultra-minces à base de silicium. Elle a pu démontrer que les spectres nano-IR à haute résolution en milieu aqueux sont directement corrélés aux signatures IR en champ lointain standard.

« Nous avons testé systématiquement différentes membranes en silicium et examiné les échantillons aussi bien à l'état sec que dans un milieu aqueux », explique le Dr Maria Eleonora Temperini, première auteure de l'étude. Parmi les échantillons figuraient de l’albumine sérique bovine et des molécules d’ADN, ainsi que des fibrilles de la protéine α-synucléine, qui jouent un rôle dans la maladie d’Alzheimer.