Forskere fingeraftryk på objekter og vira i nanoskala

Spanske forskere ved universitetet i Barcelona har fundet en måde til effektivt at identificere objekter og vira i nanoskala, der kunne tilbyde et gennembrud for biomedicinsk diagnostik, miljøbeskyttelse og nanoelektronik

Forskere har gjort fantastiske fremskridt i de sidste to årtier med at se og manipulere materialer på nanoskala. Ny generation af mikroskoper gør det muligt for forskere at udforske morfologien af ​​objekter i nanoskala, såsom nanopartikler, enkelte molekyler og atomer, i deres naturlige miljø.

På trods af de teknologiske fremskridt, imidlertid, der er stadig store forhindringer at overvinde ved måling af det mekaniske, kemisk, elektriske og termiske egenskaber, der gør hver genstand unik. Dette er afgørende, fordi kun ved at forstå disse egenskaber kan vi skelne og overvåge nanoobjekter med lignende former, men forskellige kemiske arter og, når det kommer til biologiske komplekser, studere, hvordan de fungerer og opdage de afgørende roller, de spiller i kroppen.

Forskere, der arbejder på nanoskalaen, har længe været nødt til at stole på kemisk mærkning - inkorporerer et synligt stof, såsom fluorescerende farvestof, ind i målobjektet – for at opdage dets tilstedeværelse og fysiske fordeling. Men mærkning af molekyler kan give vildledende resultater om deres egenskaber. Af denne grund, et presserende behov inden for materialevidenskab og biologi er at identificere sammensætningen af ​​nanoobjekter in situ - hvor de manifesterer deres funktioner - uden at ty til mærkning.

Nu, forskere ved University of Barcelona (UB) og Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), i samarbejde med Centro National de Biotecnologia (CNB-CSIC) i Madrid, har perfektioneret en ny teknik, der bruger et elektrostatisk kraftmikroskop (EFM), en type atomkraftmikroskop, at entydigt identificere nano-objekter uden behov for etiketter.

I atomkraftmikroskopi, en spids i nanostørrelse på enden af ​​et mikrohåndtag trækkes hen over et objekt i nanoskala. Dette fornemmer dens form, meget som en person bevæger fingrene over punktskrift for at læse. Håndtagets bevægelse overvåges elektronisk for at rekonstruere billedet i en computer. "Men dette billede forbliver begrænset til overfladestrukturen, hvilket ikke er meget nyttigt, hvis vores målobjekt ligger blandt andre af lignende form, og vi ikke ved præcis hvor, ” forklarer Laura Fumagalli, hovedforfatter på undersøgelsen, der vises i Naturmaterialer i går. "I denne situation, mennesker ville bruge en af ​​deres andre sanser, såsom lugt eller smag, at genkende, hvad et stof præcist er - så vi brugte en lignende tilgang."

Alle objekter udviser en karakteristisk 'dielektrisk konstant', eller permittivitet, som giver en indikation af hvordan materialet de er lavet af reagerer på et påført elektrisk felt. Ved at bruge EFM, forskerne anvendte det elektriske felt på nanoobjekterne ved hjælp af nanospidsen, og fornemmede den lille bevægelse af håndtaget induceret af genstandenes dielektriske reaktioner.

"Da vi havde kvantificeret deres dielektriske konstanter præcist, vi var derefter i stand til at bruge disse som et 'fingeraftryk' til at skelne genstande af identisk form, men forskellig sammensætning, som ellers ville være umulige at genkende uden mærkning, ” forklarer Fumagalli. "Tidligere EFM havde kun været i stand til at skelne mellem metalliske og ikke-metalliske nanoobjekter i sort-hvide eksperimenter. Nu har vi kvantitativt anerkendt dem, der er lavet af meget lignende materialer og med lave dielektriske konstanter, som det er tilfældet med mange biologiske komplekser.” De vigtigste udviklinger, forskerne lavede for at opnå dette, var at øge mikroskopets elektriske opløsning med næsten to størrelsesordener, så de var i stand til at opdage ultra-svage kræfter. De brugte også geometrisk stabile nano-spidser, samt en præcis metode til modellering af deres resultater, der tager højde for et systems fysik og alle dets geometriske artefakter.

"Vores metode, en ikke-invasiv måde at bestemme objekters indre tilstand og korrelere disse med deres funktioner uden udskæring eller mærkning, vil være et uvurderligt værktøj for forskellige områder af videnskabelig forskning, siger Gabriel Gomila, medforfatter til studiet og gruppeleder på IBEC. "Det er særligt vigtigt i nanomedicin til biomedicinsk diagnostik, åbne døren til kvantitativ mærkefri påvisning af biologiske makromolekyler såsom vira baseret på deres dielektriske egenskaber. Tilsvarende det kan anvendes til at detektere nanopartikler til miljøovervågning og -beskyttelse."

Forskerne har anvendt deres teknik på vigtige biologiske komplekser, såsom vira. Ved for første gang at optrevle de dielektriske egenskaber af sådanne nanoobjekter, som indtil nu har været utilgængelige, de kan muligvis afdække vigtige aspekter af en viruss funktionalitet. Med deres teknik, de skelnede mellem tomme og DNA-holdige vira, for eksempel, som er dem, der kan indsætte deres genetiske materiale i en værtscelles DNA.

"Disse resultater er også et gennembrud i den grundlæggende undersøgelse af nanoskala dielektrik, som er byggestenene, der bestemmer ydeevnen af ​​den nye generation af nano-elektroniske enheder i dag, " tilføjer Fumagalli, som også er underviser ved elektronikafdelingen ved universitetet i Barcelona, ligesom Gomila. "Vores nye teknik lover at kaste lys over spørgsmål om de dielektriske egenskaber af nyudviklede nanokompositter og hybride nanoenheder, og kan fortælle os i hvor lille skala en dielektrisk genstand kan bevare sine egenskaber – med andre ord, hvor små vi kan gå."