Ein Quantenlineal für Biomoleküle

In der Quantenphysik breiten sich unbeobachtete Teilchen wie ausgedehnte Wellen im Raum aus. Dieses Phänomen ist philosophisch spannend und von technologischer Relevanz: Ein Forschungsteam der Universität Wien um Markus Arndt konnte an einer Reihe von Vitaminen zeigen, dass die Kombination von experimenteller Quanteninterferometrie und Quantenchemie erlaubt, Informationen über die optischen und elektronischen Eigenschaften von Biomolekülen zu gewinnen – mittels eines „Quantenlineals“. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal „Angewandte Chemie International Edition“ publiziert.

Obwohl Vitamine eine zentrale Rolle in der Biologie spielen, sind ihre physikalischen Eigenschaften in der Gasphase noch wenig untersucht. Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger und KollegInnen in der Forschungsgruppe um Markus Arndt zeigen das Potenzial quantenbasierter Methoden zur Untersuchung von Biomolekülen. Sie erzeugten dafür Molekülstrahlen aus den (Pro)Vitaminen A, E und K1 – also β-Carotin, α-Tocopherol und Phyllochinon.

Diese Moleküle fliegen im Hochvakuum durch eine Anordnung von drei Nanogittern. Das erste Gitter zwingt jedes Molekül durch einen von tausenden Spalten, die nur 110 Nanometer breit sind. Die Einengung der Position des Moleküls sorgt nach Heisenbergs Unschärferelation für eine große Unbestimmtheit seiner Ausbreitungsrichtung – das Molekül wird räumlich „delokalisiert“. Der Bewegungszustand jedes einzelnen Moleküls wird so präpariert, dass es prinzipiell nicht mehr möglich ist, seinen Weg durch das Experiment zu verfolgen.

Das zweite Gitter ist der Strahl eines grünen Hochleistungslasers, der von einem Spiegel in sich selbst reflektiert wird. Dadurch bildet sich eine stehende Lichtwelle, bei der sich periodisch Regionen hoher Lichtintensität mit Dunkelheit abwechseln. Jedes Molekül ist am zweiten Gitter schon so weit delokalisiert, dass seine Wellenfunktion mehrere Hell- und Dunkelzonen überstreicht, obwohl diese hundert Mal weiter auseinanderliegen als das Molekül groß ist.

In den Zonen mit mehr und weniger Licht wird das Molekül mehr oder weniger abgelenkt und die ausgedehnte quantenmechanische Wellenfront wird moduliert. Da das Molekül nicht nur einen Pfad nimmt, sondern in einer Überlagerung von möglichen Wegen durch die Apparatur läuft, entsteht ein Interferenzmuster, d.h. eine periodische Verteilung der Wahrscheinlichkeit, das Molekül an einem bestimmten Ort anzutreffen. Dieses wird mit dem dritten Gitter verglichen, das wie das erste aus Silizium-Nitrid gefertigt ist.

Quanten-Lineal für Biomoleküle

Die ultra-feine Struktur des Interferenzmusters wird als eine Art Quantenlineal verwendet, das es erlaubt, winzige Ablenkungen von wenigen Nanometern auszulesen. Die Modulation und Position des Interferenzmusters lässt Schlüsse auf die Wechselwirkung der Biomoleküle mit äußeren Feldern zu. Das gilt für die Wechselwirkung sowohl mit dem beugenden Laserstrahl als auch mit einem kontrollierten elektrischen Feld, welches das molekulare Dichtemuster verschiebt.

Die WissenschafterInnen nutzen das Quantenlineal zur Bestimmung elektronischer und optischer Eigenschaften biologisch relevanter Moleküle der (Pro)Vitamine A, E und K1. Pro-Vitamin A spielt beispielsweise eine wichtige Rolle in der Photosynthese. „Wir haben hiermit ein universelles Werkzeug, das uns hilft, die Eigenschaften von Biomolekülen besser zu vermessen“, so der Erstautor der Studie, Lukas Mairhofer.

Vergleich mit Molekülsimulationen

Die experimentellen Ergebnisse wurden mit Berechnungen elektronischer Moleküleigenschaften verglichen. Dafür wurde klassische Moleküldynamik, in der die zeitliche Entwicklung der Molekülstruktur verfolgt wird, mit Dichtefunktionaltheorie kombiniert, in der die elektronischen Eigenschaften berechnet werden. Dieses Vorgehen ergibt eine gute Übereinstimmung von Experiment und Theorie.

Die Kombination von Molekülinterferometrie und Quantenchemie ist somit ein gutes Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit an der Schnittstelle zwischen Quantenoptik und Physikalischer Chemie.

Publikation in „Angewandte Chemie International Edition“:
Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger, Joseph P. Cotter, Marion Romirer, Armin Shayeghi, und Markus Arndt: „Quantum-assisted metrology of neutral vitamins in the gas-phase“, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56 (2017);
DOI: 10.1002/anie.201704916

Das Projekt wurde gefördert vom
• European Research Council FP 7 Ideas im Adv. Grant: PROBIOTIQUS No 320694
• FWF Doctoral Program Complex Quantum Systems W12-03-N25

Zur animierten Version des Experiments:
http://www.quantumnano.at/popular-science/

Sie können Teile des Experiments auch online selber nachspielen:
http://www.quantumnano.at/popular-science/quantum-games-training/

Wissenschaftliche Kontakte
Dr. Lukas Mairhofer (Erstautor)
Quantennanophysik, VCQ
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
M +43 650 4545262
lukas.mairhofer@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at

Univ. Prof. Dr. Markus Arndt (Projektleiter)
Quantennanophysik, VCQ
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
M +43-664-60277-512 10
markus.arndt@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at

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https://www.researchgate.net/publication/317502032_Quantum-Assisted_Metrology_of… Publikation in „Angewandte Chemie“