Lineair dichroïsme: hoe gepolariseerd licht de oriëntatie van moleculen verraadt
Stel je een doosje spaghetti voor waarin alle slierten keurig evenwijdig aan elkaar liggen. Als je er licht doorheen schijnt dat trilt in dezelfde richting als de slierten, wordt het anders opgenomen dan licht dat trilt loodrecht daarop. Iets vergelijkbaars gebeurt op moleculaire schaal: veel moleculen absorberen licht sterker in één bepaalde richting dan in de andere, alsof ze piepkleine antennes zijn met een voorkeursrichting. Lineair dichroïsme is de meettechniek die dit verschil in kaart brengt.
De term klinkt technisch, maar het idee erachter is simpel: door te meten hoe een georiënteerd monster licht opneemt dat in twee loodrechte richtingen trilt, kun je afleiden hoe de moleculen erin liggen. Wetenschappers gebruiken dit al decennia om bijvoorbeeld te zien hoe geneesmiddelen zich tussen de strengen van DNA nestelen, hoe eiwitten in een celmembraan georiënteerd zitten, of hoe kristallen van nieuwe materialen zijn opgebouwd. Het is geen nieuwe hypetechniek, maar een gevestigd, betrouwbaar stukje gereedschap in de natuurkunde, scheikunde en biofysica.
Wat is het precies?
Om lineair dichroïsme te begrijpen, moet je eerst weten wat polarisatie van licht is. Licht is een golf die trilt loodrecht op de richting waarin hij zich voortplant. Gewoon zonlicht trilt in alle mogelijke richtingen tegelijk, maar met een polarisatiefilter kun je licht maken dat alleen in één vlak trilt: lineair gepolariseerd licht. Een polaroid zonnebril werkt op dit principe.
Elke lichtabsorberende groep in een molecuul, een zogeheten chromofoor, heeft een voorkeursrichting waarin hij het felst licht opneemt. Vakmensen noemen dit het overgangsdipoolmoment, maar je kunt het je simpelweg voorstellen als een pijltje binnen het molecuul dat aangeeft in welke richting de absorptie het sterkst is.
In een gewone oplossing, waar moleculen willekeurig door elkaar tuimelen, wijzen al die pijltjes alle kanten op. Gemiddeld genomen maakt het dan niet uit hoe je het gepolariseerde licht instelt: er is geen netto verschil te meten. Pas als je de moleculen dwingt om in een gemeenschappelijke richting te gaan liggen, ontstaat er een meetbaar effect.
Die oriëntatie kan op verschillende manieren tot stand worden gebracht. Bij lange, staafvormige moleculen zoals DNA gebeurt dat vaak door de oplossing te laten stromen in een nauwe ruimte tussen twee cilinders, een zogeheten Couette-cel: de stroming lijnt de moleculen als houtjes in een rivier op één lijn uit. Bij polymeren rekt men vaak een dunne film mechanisch uit, waardoor de ketens zich in de trekrichting oriënteren. Ook elektrische of magnetische velden kunnen sommige moleculen uitlijnen. In andere gevallen is de oriëntatie er al van nature, zoals bij een eiwit dat vastzit in een celmembraan of een molecuul dat deel uitmaakt van een kristalrooster.
Vervolgens meet men de absorptie van licht dat evenwijdig aan die oriëntatie-as trilt, en van licht dat er loodrecht op staat. Het verschil tussen beide, vaak uitgezet als functie van de golflengte zodat er een heel spectrum ontstaat, is het lineair-dichroïsmesignaal. Uit het teken en de sterkte van dat signaal bij een bepaalde golflengte kunnen onderzoekers afleiden onder welke hoek de bijbehorende chromofoor ten opzichte van de oriëntatie-as staat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is bijna altijd hetzelfde: iets leren over de driedimensionale structuur of oriëntatie van moleculen zonder dat je daarvoor per se een kristal hoeft te kweken of een zwaar instrument als een elektronenmicroscoop nodig hebt. Lineair dichroïsme is in die zin complementair aan technieken als röntgenkristallografie, cryo-elektronenmicroscopie en kernspinresonantie (NMR): het levert minder gedetailleerde informatie, maar is vaak sneller, goedkoper en werkt ook met monsters die zich niet laten kristalliseren.
Concreet gebruiken onderzoekers de techniek om te achterhalen hoe een geneesmiddel of kleurstof zich tussen de basenparen van DNA schuift, onder welke hoek de heliixen van een eiwit in een membraan liggen, of hoe goed een polymeerfilm of vloeibaar kristal in een beeldscherm daadwerkelijk is uitgelijnd. In de materiaalkunde helpt het om te bepalen in welke richting de kristalassen van een nieuw, sterk richtingsafhankelijk (anisotroop) materiaal liggen, wat weer belangrijk is om te snappen hoe elektrische stroom of licht zich erdoorheen gedraagt.
Kortom: het veld bestaat niet om zelf spectaculaire doorbraken te claimen, maar om als betrouwbaar hulpmiddel andere ontdekkingen mogelijk te maken, van geneesmiddelenonderzoek tot de ontwikkeling van nieuwe elektronica.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste toepassingen is flow-lineair-dichroïsme voor het bestuderen van DNA en de moleculen die eraan binden. De Zweedse scheikundige Bengt Nordén van de Chalmers University of Technology geldt als een van de pioniers van deze aanpak: sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw gebruikte zijn groep stromingsgeoriënteerd DNA om te onderzoeken hoe kankerremmers en andere geneesmiddelen zich tussen de DNA-strengen nestelen.
Nauw verwant is het werk van de Britse chemica Alison Rodger, verbonden aan onder meer de University of Warwick en later Macquarie University in Australië. Zij hielp de instrumentatie voor lineair (en circulair) dichroïsme verder te ontwikkelen en is co-auteur van een veelgebruikt naslagwerk over deze technieken.
In de fotosyntheseonderzoek wordt lineair dichroïsme al sinds de jaren zestig en zeventig ingezet om te bepalen hoe chlorofylmoleculen georiënteerd liggen in de thylakoïdmembranen van bladgroenkorrels: cruciale kennis om te begrijpen hoe planten en algen licht opvangen en energie omzetten.
Een ander toepassingsgebied is onderzoek naar zogeheten amyloïde fibrillen, de eiwitopeenhopingen die een rol spelen bij ziektes als Alzheimer en Parkinson. Doordat deze fibrillen zich vrij eenvoudig in stroming laten uitlijnen, gebruiken onderzoekers lineair dichroïsme om te zien hoe de eiwitketens binnen zo'n fibril zijn gestapeld.
Meer recent duikt de techniek, of nauw verwante polarisatie-afhankelijke absorptiemetingen, ook op in de materiaalkunde van tweedimensionale materialen. Sinds ongeveer het midden van de jaren 2010 gebruiken onderzoeksgroepen dit soort metingen om de kristallografische richting te bepalen van sterk richtingsafhankelijke 2D-materialen zoals zwarte fosfor, wat relevant is voor de ontwikkeling van nieuwe transistors en fotodetectoren.
Hoe ver is de techniek?
Lineair dichroïsme zelf is geen opkomende technologie maar een volwassen, decennia oude meetmethode. De basisprincipes en instrumenten liggen al lang vast; wat wel verandert, is waarop de techniek wordt losgelaten. Onderzoekers combineren haar steeds vaker met andere methoden, bijvoorbeeld tijdsopgeloste varianten om te zien hoe de oriëntatie van moleculen verandert tijdens een chemische reactie, of microscopische opstellingen om lokaal, op de schaal van een enkele cel, oriëntatie-informatie te verzamelen.
De belangrijkste beperking is en blijft dat je een georiënteerd monster nodig hebt. Niet elk molecuul of materiaal laat zich makkelijk of betrouwbaar uitlijnen, en een slecht georiënteerd monster levert een zwak of misleidend signaal op. Bovendien geeft lineair dichroïsme vooral informatie over de hoek van chromoforen ten opzichte van één as, niet een volledige driedimensionale structuur: voor die laatste stap is vaak aanvullende informatie uit andere technieken nodig. De interpretatie van spectra vergt daarnaast de nodige expertise, omdat meerdere overlappende chromoforen tegelijk kunnen bijdragen aan hetzelfde signaal.
Instrumenteel gezien is de techniek minder wijdverbreid dan bijvoorbeeld gewone UV-Vis-spectroscopie. Commerciële spectrometers voor lineair dichroïsme bestaan wel, maar worden vaak gebouwd als uitbreiding op apparatuur die oorspronkelijk voor circulair dichroïsme is ontworpen, een verwante techniek die chirale (spiegelbeeld-asymmetrische) moleculen bestudeert met circulair in plaats van lineair gepolariseerd licht.
Wie werken eraan?
Chalmers University of Technology in Zweden geldt, mede dankzij het werk van Bengt Nordén, als een van de historische centra voor flow-lineair-dichroïsme, met name gericht op DNA-onderzoek. In het Verenigd Koninkrijk en Australië heeft Alison Rodger, verbonden aan achtereenvolgens de University of Warwick en Macquarie University, een belangrijke rol gespeeld in het verder ontwikkelen van de meetopstellingen en het toegankelijker maken van de techniek voor andere onderzoeksgroepen.
Daarnaast wordt lineair dichroïsme gebruikt door biofysica- en fotosyntheseonderzoeksgroepen aan universiteiten wereldwijd, waar het een van de vele spectroscopische technieken is om de organisatie van eiwitten en pigmenten in membranen te bestuderen. In de materiaalkunde passen groepen die zich bezighouden met tweedimensionale materialen, organische halfgeleiders en vloeibare kristallen vergelijkbare polarisatie-afhankelijke metingen toe, verspreid over onderzoeksinstituten in Europa, de Verenigde Staten en Azië.
Op instrumentatiegebied is het Britse bedrijf Applied Photophysics een bekende naam: het levert spectrometers, oorspronkelijk ontwikkeld voor circulair dichroïsme, die ook voor lineair-dichroïsmemetingen worden ingezet.