Hologrammen maken met lichtgevoelige eiwitten
Het lichtgevoelige eiwit bacteriorhodopsine leent zich uitstekend voor het maken van hologrammen van deeltjes in stromende gassen of vloeistoffen. Omdat het eiwit gevoelig is voor de polarisatie van het opvallende licht kunnen met dezelfde dunne eiwitlaag vlak na elkaar twee volledig te scheiden hologrammen worden opgenomen. Een hologram bevat driedimensionale informatie en de twee opvolgende hologrammen laten driedimensionale veranderingen zien. Daarmee is dit systeem zeer goed bruikbaar als meettechniek binnen de stromingsleer. Dat blijkt uit onderzoek waarop FOM-promovendus Wouter Koek op 13 februari 2006 aan de Technische Universiteit Delft hoopt te promoveren.
In alledaagse omstandigheden is de stroming in een gas of een vloeistof heel vaak turbulent. Ondanks alle onderzoek aan turbulente stroming sinds de 19e eeuw is dit verschijnsel nog steeds lastig te doorgronden. Dat is een van de redenen waarom onderzoekers speuren naar technieken om stroming in groot detail te kunnen afbeelden en analyseren.
Koek en collega's van de vakgroepen Stromingsleer en Optica van de Technische Universiteit Delft hebben nu een camera ontwikkeld waarin ze een zeer dunne laag bacteriorhodopsines als opnamemateriaal gebruiken om de verplaatsing van enkele honderdduizenden deeltjes met een afmeting van tientallen micrometers (een micrometer is 0,001 millimeter) in een stromende vloeistof vast te leggen en vervolgens weer uit te lezen. Onder invloed van licht veranderen de absorptie en de brekingsindex van het eiwit. Na enige tijd keert het eiwit terug naar zijn oorspronkelijke toestand. In een eiwitfilm veranderen de eiwitten op plaatsen waar licht valt daarom tijdelijk ten opzichte van niet-belichte eiwitten. Van deze eigenschap maken de onderzoekers gebruik bij het maken van afbeeldingen. De eiwitten zijn ongeveer vijf nanometer (vijfmiljoenste van een millimeter) groot en een belichte eiwitfilm levert dus een zeer hoge resolutie op (de korrels in de emulsie van een gewone fotografische film zijn zeer veel groter).
De onderzoekers beschijnen de deeltjes in de stroming met gepulst groen laserlicht (golflengte 532 nanometer). De deeltjes verstrooien dit licht waarna het op de eiwitfilm valt. Tegelijk beschijnen de onderzoekers de eiwitfilm ook rechtstreeks met een bundel van dezelfde laser. Dit maakt van de belichte film een hologram. Na een tussenpoos van enkele nanoseconden tot vele milliseconden - afhankelijk van het type stroming - veranderen de onderzoekers de polarisatie van het laserlicht en maken nogmaals een gepulste opname. Hierdoor ontstaat op de eiwitfilm een tweede 'beeld', dat door het eerste niet wordt verstoord. In die korte tijd hebben alle deeltjes in de stroming zich iets verplaatst. Vervolgens lezen de onderzoekers wederom met een groene laser de eiwitfilm uit. Hieruit volgt voor elk deeltje de verplaatsing, waaruit de driedimensionale stromingsrichting van de afzonderlijke deeltjes kan worden bepaald. De onderzoekers hebben ook een rode laser gebruikt om de hologrammen uit te lezen. Die golflengte vertraagt de natuurlijke vervaging van de eiwitfilm enigszins waardoor het hologram langer uitgelezen kan worden, maar het maakt de opstelling wel ingewikkelder. Daarom is voor het uiteindelijk ontwikkelde systeem toch alleen voor die groene laser gekozen. Na uitlezing wissen de onderzoekers de film (die er bij gewoon licht paars uitziet) met blauw laserlicht, waarna de film opnieuw kan worden belicht. "We zijn dus een full-colour lab" zegt Jerry Westerweel, evenals Joseph Braat promotor van Koek. Een bijkomend groot voordeel van de eiwitfilm is dat die tussen opnemen en uitlezen niet ontwikkeld hoeft te worden, zoals bij meer traditionele technieken voor het maken van hologrammen gebruikelijk is. Daardoor werkt de nieuwe techniek veel sneller. Door dat ontwikkelen kan zo'n traditioneel materiaal ook maar één keer gebruikt worden, terwijl de eiwitfilm tot wel een miljoen keer bruikbaar is.
Het onderzoek van Koek heeft aangetoond dat de methode werkt en acceptatie van holografie als meettechniek binnen de stromingsleer is dan ook zeker een grote stap dichterbij gekomen. Toepassingen buiten de stromingsleer zijn er nog niet, maar volgens Koek is er wel duidelijk belangstelling van buiten het vakgebied. Te denken valt aan gebruik voor bijvoorbeeld microscopie en cryptologie.
Meer informatie bij ing. Wouter Koek, telefoon (015) 269 24 06 of prof.dr.ir. J. Westerweel, telefoon (015) 278 68 87.