Charakterisierung von Proteingemischen mit Hilfe der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie

Die Analyse komplexer Proteingemische besitzt insbesondere im Bereich der Die Analyse komplexer Proteingemische hat insbesondere im Bereich der klinischen Diagnostik zur Früherkennung von Krankheiten und zur Identifikation von Biomarkern einen hohen Stellenwert. Zu diesem Zweck wird derzeit die Gel-Elektrophorese in Kombination mit der Massenspektrometrie eingesetzt. Leider sind diese Verfahren sehr zeitaufwendig, benötigen einen erheblichen Präparationsaufwand und liefern keine molekularen Strukturinformationen.

In diesem Vorhaben soll daher ein neues, alternatives Verfahren entwickelt werden, das auf der Kombination der Frei-Fluss-Elektrophorese mit der oberflächenverstärkten Ramanstreuung basiert. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch seine extrem geringe Querempfindlichkeit zu Wasser, nur minimale Probenpräparation und seinen zusätzlichen hohen Informationsgehalt über die molekulare Struktur der untersuchten Proben aus. Das Ziel des Vorhabens ist die Auslotung der Möglichkeiten und Grenzen dieses neuartigen Analyseverfahrens.

Die wesentlichen Herausforderungen bestehen in der experimentellen Umsetzung eines hoch sensitiven Ramanstreulicht-Detektionssystems, das zur Unterdrückung störender Fluoreszenzen im nahen infraroten Spektralbereich arbeitet und in der erheblichen Steigerung der Nachweisempfindlichkeit, die wegen der üblicherweise geringen Signalstärken der Ramanstreuung häufig nicht zur Identifikation und Quantifizierung von Protein-Spezies ausreicht.

Neben der Entwicklung eines effizienten Ramanstreulicht-Detektionssystems konzentrieren sich die Arbeiten vor allem auf die Methoden zur Steigerung der Nachweisempfindlichkeit. Dazu gehört zum einen der Einsatz von Hohlwellenleitern als Detektionszellen, mit deren Hilfe eine erhebliche Steigerung der Wechselwirkung zwischen dem Anregungslicht und dem Analyt möglich ist.

: Abbildung 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer SERS-Oberfläche

Zum anderen verspricht vor allem der Einsatz der „Oberflächenverstärkten Raman-Streuung“ (SERS - Surface Enhanced Raman Scattering) erhebliche Steigerungen der Ramanstreulichtintensitäten von 10⁶ bis 10¹⁴ Größenordnungen. Durch die Erzeugung von Plasmonenresonanzen auf metallischen nanostrukturierten Oberflächen entstehen lokale elektromagnetische Felderhöhungen, die das Ramanstreulicht von Adsorbaten (in unserem Fall Proteinen) extrem verstärken können. In Abbildung 1 ist eine derartige nanostrukturierte SERS-Oberfläche dargestellt.

Abbildung 2 zeigt die Effizienz des SERS-Nachweises gegenüber einer gewöhnlichen Ramanstreulichtdetektion. Die Abbildung 2a zeigt ein gewöhnliches Ramanspektrum von Rinder-Insulin als kristalline Reinsubstanz. Im Vergleich dazu ist in Abbildung 2b das gewöhnliche Ramanspektrum einer 0,3 mmol/l wässrigen Insulinlösung auf einer glatten Goldoberfläche dargestellt. Zu sehen ist im Wesentlichen das Substratspektrum. Dagegen zeigt Abb. 2c das SERS-Spektrum dieser 0,3 mmol/l Insulin-Lösung auf einem SERS-Substrat. Deutlich erkennbar ist die mittels SERS gewonnene extreme Signalverstärkung. Diese Darstellung macht das enorme Potential dieses Verfahrens zur Detektion und Identifikation geringster Proteinmengen deutlich.

: Abbildung 2: a) Insulin vom Rind in kristalliner Form, b) 0,5µl einer 0,3 mmol/l Insulin-Lösung auf glatter Goldoberfläche getrocknet, c) 0,5µl einer 0,3 mmol/l Insulin-Lösung auf SERS-aktiver Oberfläche getrocknet

Förderung:

Landesinitiative Biophotonik des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr

Kooperationspartner:

Laser-Laboratorium Göttingen GmbH, Prof. Dr. G. Marowsky
Microliquids GmbH, Prof. Dr. B. Abel
Universität Göttingen, Prof. Dr. W. Lauterborn