Forbedret karakterisering af nanopartikelklynger til EHS- og biosensorforskning

(PhysOrg.com) -- Nanopartiklers tendens til at klumpe sig sammen i opløsning - "agglomerering" - er af stor interesse, fordi størrelsen af ​​klyngerne spiller en vigtig rolle i materialernes opførsel. Toksicitet, nanomaterialernes persistens i miljøet, deres effektivitet som biosensorer og, for den sags skyld, nøjagtigheden af ​​eksperimenter til at måle disse faktorer, er alle kendt for at være påvirket af agglomeration og klyngestørrelse. Nyligt arbejde ved National Institute of Standards and Technology tilbyder en måde at måle nøjagtigt både fordelingen af ​​klyngestørrelser i en prøve og den karakteristiske lysabsorption for hver størrelse. Sidstnævnte er vigtigt for anvendelsen af ​​nanopartikler i biosensorer.

Et godt eksempel på den potentielle anvendelse af værket, siger NIST biomedicinsk ingeniør Justin Zook, er i udviklingen af ​​nanopartikelbiosensorer til ultrafølsomme graviditetstests. Guldnanopartikler kan belægges med antistoffer mod et hormon, der produceres af et embryo kort efter undfangelsen. Flere guld nanopartikler kan binde til hvert hormon, danner klynger, der har en anden farve end ikke-klyngede guldnanopartikler. Men kun visse klynger er optimale til denne måling, så at vide, hvordan lysabsorbansen ændrer sig med klyngestørrelsen, gør det nemmere at designe biosensorerne, så de resulterer i den helt rigtige størrelse klynger.

NIST-teamet forberedte først prøver af guld-nanopartikler - et nanomateriale, der er meget udbredt i biologi - i en standard cellekulturopløsning, ved hjælp af deres tidligere udviklede teknik til at skabe prøver med en kontrolleret fordeling af størrelser. Partiklerne får lov til at agglomerere i gradvist voksende klynger, og klumpningsprocessen "slukkes" efter varierende tid ved at tilsætte et stabiliseringsmiddel, der forhindrer yderligere agglomerering.

De brugte derefter en teknik kaldet analytisk ultracentrifugering (AUC) til samtidig at sortere klyngerne efter størrelse og måle deres lysabsorption. Centrifugen får nanopartikelklyngerne til at adskille efter størrelse, jo mindre, lettere klynger bevæger sig langsommere end de større. Mens dette sker, prøvebeholderne scannes gentagne gange med lys, og mængden af ​​lys, der passerer gennem prøven for hver farve eller frekvens, registreres. Jo større klyngen er, jo mere lys absorberes af lavere frekvenser. Måling af absorptionen efter frekvens på tværs af prøvebeholderne gør det muligt for forskerne både at se den gradvise adskillelse af klyngestørrelser og at korrelere absorberede frekvenser med specifikke klyngestørrelser.

De fleste tidligere målinger af absorptionsspektre for opløsninger af nanopartikler var kun i stand til at måle bulkspektrene - absorptionen af ​​alle de forskellige klyngestørrelser blandet sammen. AUC gør det muligt at måle mængden og fordelingen af ​​hver nanopartikelklynge uden at blive forvirret af andre komponenter i komplekse biologiske blandinger, såsom proteiner. Teknikken var tidligere kun blevet brugt til at foretage disse målinger for enkelte nanopartikler i opløsning. NIST-forskerne er de første til at vise, at proceduren også virker for nanopartikelklynger.