Untersuchung biologischer Modellsysteme mittels Atomsondentomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Guido Schmitz, seit 10/2024
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biomaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509488204

Die Atomsondentomographie (APT) erlaubt die Untersuchung von Strukturen auf der Nanoskala und basiert auf der kontrollierten Feldverdampfung einzelner Atome und ermöglicht computergestützte Rekonstruktionen des verdampften Volumens mit atomarer Auflösung. Um die notwendigen sehr hohen Feldstärken für die Feldverdampfung erreichen zu können, müssen die Proben in einer speziellen, nadelförmigen Geometrie, mit einem Krümmungsradius von etwa 50 nm vorliegen. Diese analytische Messmethode hat inzwischen, bedingt durch eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Mikroskope und der Probenpräparationstechniken, ein breites Anwendungsgebiet erschlossen. Durch ihre besonders hohe chemische Sensitivität kann die APT, in Verbindung mit der Elektronenmikroskopie, insbesondere helfen Vorgänge an internen Grenzflächen zu studieren und zu verstehen. Eine bisher kaum erschlossene Materialklasse ist die Klasse der biologischen Materialien oder die Klasse der "weichen Materie". Da biologische Prozesse oft nur in wässriger Umgebung ablaufen können, ist eine geeignete Probenvorbereitung erforderlich, um diese Proben in die für die APT notwendige Geometrie zu bringen. Insbesondere für flüssige Proben ist eine geschlossene Kryo-Präparationskette erforderlich. Die Verfahren müssen so angepasst werden, dass ein Auskristallisieren der Flüssigkeit beim Abkühlen vermieden wird. Die ursprüngliche Struktur würde ansonsten durch die Volumenausdehnung der Eiskristalle zerstört. Es ist davon auszugehen, dass die mechanische Stabilität von gefrorenen Proben deutlich geringer ist als die von Festkörpern, insbesondere von Metallen. Damit ist mit einem Absinken der Erfolgsquote von erfolgreich gemessenen Proben auszugehen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Verdampfung organischer Verbindungen nicht atomar, sondern molekular erfolgt. Die aufgenommenen Massenspektren sind wesentlich komplexer und lassen Raum für Interpretationen. Es kann außerdem zu Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung kommen, da leichte Gase wie Sauerstoff und Stickstoff Verlustmechanismen aufweisen. Die Abhängigkeit der gemessenen Signale wird wesentlich stärker von den Versuchsbedingungen wie Laserleistung, Feldstärke, Wellenlänge, Temperatur beeinflusst. Die zu erwartenden Artefakte aufgrund der möglicherweise inhomogenen Verdampfung der Proben sind bisher in keinem Rekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt worden. Es ist unklar, ob eine geeignete Rekonstruktion des Volumens möglich ist. Hier möchte dieses Projekt ansetzen und versuchen, unter anderem das lokale geometrische und chemische Auflösungsvermögen anhand geeigneter Kalibrierproben zu bestimmen. Ziel dieses Projekts ist es, die Möglichkeiten und derzeitigen Grenzen der APT bei der Analyse biologischer Systeme am Beispiel bekannter biologischer Modellsysteme zu erforschen und Wege und Lösungen zur Überwindung der festgestellten Hindernisse zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Patrick Stender, bis 9/2024