Løsning af det store problem med at måle bittesmå nanopartikler

Små nanopartikler spiller en gigantisk rolle i det moderne liv, selvom de fleste forbrugere er uvidende om deres tilstedeværelse. De giver essentielle ingredienser i solcreme lotioner, forhindre svamp i fodsvamp i sokker, og bekæmpe mikrober på bandager. De forbedrer farverne på populære slik og holder pulveriseret sukker på donuts pulveragtigt. De bruges endda i avancerede lægemidler, der retter sig mod specifikke typer celler i kræftbehandlinger.

Når kemikere analyserer en prøve, imidlertid, det er udfordrende at måle størrelsen og mængden af ​​disse partikler - som ofte er 100, 000 gange mindre end tykkelsen af ​​et stykke papir. Teknologi giver mange muligheder for at vurdere nanopartikler, men eksperter er ikke nået til enighed om, hvilken teknik der er bedst.

I et nyt papir fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og samarbejdende institutioner, forskere har konkluderet, at måling af størrelsesområdet i nanopartikler - i stedet for blot den gennemsnitlige partikelstørrelse - er optimalt til de fleste anvendelser.

"Det virker som et simpelt valg, "sagde NIST's Elijah Petersen, hovedforfatter til papiret, som blev offentliggjort i dag i Miljøvidenskab:Nano . "Men det kan have stor indflydelse på resultatet af din vurdering."

Som med mange målespørgsmål, præcision er nøglen. Eksponering for en vis mængde af nogle nanopartikler kan have negative virkninger. Farmaceutiske forskere har ofte brug for nøjagtighed for at maksimere et lægemiddels effektivitet. Og miljøforskere skal vide, for eksempel, hvor mange nanopartikler af guld, sølv eller titanium kan potentielt forårsage en risiko for organismer i jord eller vand.

Brug af flere nanopartikler end nødvendigt i et produkt på grund af inkonsistente målinger kan også spilde penge for producenterne.

Selvom de måske lyder ultramoderne, nanopartikler er hverken nye eller udelukkende baseret på højteknologiske fremstillingsprocesser. En nanopartikel er egentlig bare en submikroskopisk partikel, der måler mindre end 100 nanometer på mindst en af ​​dens dimensioner. Det ville være muligt at placere hundredtusindvis af dem på hovedet af en nål. De er spændende for forskere, fordi mange materialer virker anderledes på nanometerskalaen, end de gør på større skalaer, og nanopartikler kan fås til at gøre mange nyttige ting.

Nanopartikler har været i brug siden det gamle Mesopotamiens dage, når keramiske kunstnere brugte ekstremt små stykker metal til at dekorere vaser og andre kar. I det fjerde århundredes Rom, glashåndværkere maler metal til små partikler for at ændre farven på deres varer under forskellig belysning. Disse teknikker blev glemt i et stykke tid, men blev genopdaget i 1600-tallet af ressourcestærke producenter til glasfremstilling igen. Derefter, i 1850'erne, videnskabsmand Michael Faraday har i vid udstrækning undersøgt måder at bruge forskellige slags vaskemikser til at ændre guldpartiklernes ydeevne.

Moderne nanopartikelforskning udviklede sig hurtigt i midten af ​​det 20. århundrede på grund af teknologiske innovationer inden for optik. At kunne se de enkelte partikler og studere deres adfærd udvidede mulighederne for at eksperimentere. De største fremskridt kom, imidlertid, efter at eksperimentel nanoteknologi tog fart i 1990'erne. Pludselig, adfærden af ​​enkeltpartikler af guld og mange andre stoffer kunne undersøges nøje og manipuleres. Opdagelser om, hvordan små mængder af et stof reflekterer lys, absorbere lys, eller ændringer i adfærd var talrige, fører til inkorporering af nanopartikler i mange flere produkter.

Debatter har siden fulgt om deres måling. Ved vurdering af cellernes eller organismernes reaktion på nanopartikler, nogle forskere foretrækker at måle partikelantalkoncentrationer (nogle gange kaldet PNC'er af videnskabsmænd). Mange synes, at PNC'er er udfordrende, da der skal anvendes ekstra formler, når den endelige måling skal bestemmes. Andre foretrækker at måle masse- eller overfladekoncentrationer.

PNC'er bruges ofte til karakterisering af metaller i kemi. Situationen for nanopartikler er i sagens natur mere kompleks, imidlertid, end det er for opløste organiske eller uorganiske stoffer, fordi i modsætning til opløste kemikalier, nanopartikler kan komme i en lang række størrelser og nogle gange hænge sammen, når de føjes til testmaterialer.

"Hvis du har et opløst kemikalie, det vil altid have den samme molekylære formel, Per definition, ", siger Petersen. "Nanopartikler har ikke bare et vist antal atomer, imidlertid. Nogle vil være 9 nanometer, nogle bliver 11, nogle er måske 18, og nogle kan være 3."

Problemet er, at hver af disse partikler kan spille en vigtig rolle. Mens et simpelt estimat af partikelantal er helt fint til nogle industrielle applikationer, terapeutiske applikationer kræver meget mere robust måling. I tilfælde af kræftbehandlinger, for eksempel, hver partikel, uanset hvor stor eller lille, kan levere en nødvendig modgift. Og ligesom med enhver anden form for dosering, Nanopartikeldosering skal være nøjagtig for at være sikker og effektiv.

Brug af rækken af ​​partikelstørrelser til at beregne PNC vil ofte være den mest nyttige i de fleste tilfælde, sagde Petersen. Størrelsesfordelingen bruger ikke et gennemsnit eller et gennemsnit, men noterer den fuldstændige fordeling af størrelser af partikler, så formler kan bruges til effektivt at finde ud af, hvor mange partikler der er i en prøve.

Men uanset hvilken tilgang der bruges, forskere skal notere det i deres papirer, af hensyn til sammenligneligheden med andre undersøgelser. "Antag ikke, at forskellige tilgange vil give dig det samme resultat, " han sagde.

Petersen tilføjer, at han og hans kolleger var overraskede over, hvor meget belægningerne på nanopartikler kunne påvirke målingen. Nogle belægninger, han bemærkede, kan have en positiv elektrisk ladning, forårsager klumpning.

Petersen arbejdede i samarbejde med forskere fra føderale laboratorier i Schweiz, og med forskere fra 3M, der tidligere har lavet mange nanopartikelmålinger til brug i industrielle omgivelser. Forskere fra Schweiz, som dem i store dele af resten af ​​Europa, er ivrige efter at lære mere om måling af nanopartikler, fordi PNC'er er påkrævet i mange lovgivningsmæssige situationer. Der har ikke været meget information om, hvilke teknikker der er bedst eller mere tilbøjelige til at give de mest præcise resultater på tværs af mange applikationer.

"Until now we didn't even know if we could find agreement among labs about particle number concentrations, " Petersen says. "They are complex. But now we are beginning to see it can be done."