En ny metode til at udforske nano-verdenen

Forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) og Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) i Erlangen præsenterer et stort skridt fremad i karakteriseringen af ​​nanopartikler. De brugte en speciel mikroskopimetode baseret på interferometri for at udkonkurrere eksisterende instrumenter. En mulig anvendelse af denne teknik kan være at identificere sygdomme.

Nanopartikler er overalt. De er i vores krop som proteinaggregater, lipidvesikler eller vira. De er i vores drikkevand i form af urenheder. De er i luften, vi indånder som forurenende stoffer. Samtidig er mange lægemidler baseret på levering af nanopartikler, herunder de vacciner, vi for nylig har fået. I overensstemmelse med pandemierne er hurtige test, der bruges til påvisning af SARS-Cov-2, også baseret på nanopartikler. Den røde linje, som vi overvåger dag for dag, indeholder myriader af guld-nanopartikler belagt med antistoffer mod proteiner, der rapporterer infektion.

Teknisk kalder man noget for en nanopartikel, når dets størrelse (diameter) er mindre end en mikrometer. Objekter i størrelsesordenen en mikrometer kan stadig måles i et normalt mikroskop, men partikler, der er meget mindre, f.eks. mindre end 0,2 mikrometer, bliver overordentlig svære at måle eller karakterisere. Interessant nok er dette også størrelsesområdet for vira, som kan blive så lille som 0,02 mikrometer.

Gennem årene har forskere og ingeniører udtænkt en række instrumenter til at karakterisere nanopartikler. Ideelt set ønsker man at måle deres koncentration, vurdere deres størrelse og størrelsesfordeling og bestemme deres stof. Et avanceret eksempel er et elektronmikroskop. Men denne teknologi har mange mangler. Det er meget omfangsrigt og dyrt, og undersøgelserne tager for lang tid, fordi prøver skal forberedes omhyggeligt og sættes i vakuum. Og selv da er det stadig svært at bestemme stoffet af de partikler, man ser i et elektronmikroskop.

En hurtig, pålidelig, let og bærbar enhed, der kan bruges på lægekontoret eller i marken, ville have en enorm indflydelse. Nogle få optiske instrumenter på markedet tilbyder sådanne løsninger, men deres opløsning og præcision har været utilstrækkelig til at undersøge mindre nanopartikler, f.eks. meget mindre end 0,1 mikrometer (eller på anden måde sagt 100 nm).

En gruppe forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light og Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin har nu opfundet en ny enhed, der giver et stort spring i karakteriseringen af ​​nanopartikler. Metoden kaldes iNTA, en forkortelse for Interferometric Nanopartikel Tracking Analysis. Deres resultater er rapporteret i maj-udgaven af ​​Nature Methods .

Metoden er baseret på interferometrisk påvisning af lyset spredt af individuelle nanopartikler, der vandrer rundt i en væske. I et sådant medium bevæger termisk energi konstant partiklerne i tilfældige retninger. Det viser sig, at det rum, som en partikel udforsker i en given tid, korrelerer med dens størrelse. Med andre ord bevæger små partikler sig "hurtigere" og dækker et større volumen end store partikler. Ligningen, der beskriver dette fænomen - Stokes-Einstein-relationen - går tilbage til begyndelsen af ​​forrige århundrede og har siden da fundet anvendelse i mange anvendelser. I en nøddeskal, hvis man kunne følge en nanopartikel og indsamle statistik om dens nervøse bane, kunne man udlede dens størrelse. Så udfordringen er at optage meget hurtige film med små partikler, der bevæger sig forbi.

Forskere ved MPL har udviklet en særlig mikroskopimetode i løbet af de sidste to årtier, kendt som interferometrisk spredningsmikroskopi (iSCAT). Denne teknik er ekstremt følsom til at detektere nanopartikler. Ved at anvende iSCAT på problemet med at sprede nanopartikler indså MPL-gruppen, at de kan overgå de eksisterende instrumenter på markedet. Den nye teknologi har en særlig fordel i at dechifrere blandinger af nanopartikler med forskellige størrelser og forskellige materialer.

Anvendelserne af den nye metode er mangfoldige. En særlig spændende række af applikationer vedrører vehikler i nanostørrelse, der udskilles fra celler, de såkaldte ekstracellulære vesikler. Disse er lavet af en lipidskall, meget ligesom en nano-sæbeboble. Men skallen og den indre væske indeholder også proteiner, som fortæller os om vesiklernes oprindelse, altså fra hvilket organ eller celleproces. Når proteinmængden og/eller vesikelstørrelsen afviger fra normalområdet, kan det være, at personen er syg. Derfor er det meget vigtigt at finde måder at karakterisere ekstracellulære vesikler på.

Forskerne ved MPL og MPZPM arbejder nu på at udvikle et bænksystem, der gør det muligt for forskere over hele verden at drage fordel af fordelene ved iNTA. + Udforsk yderligere

Sporing af bevægelsen af ​​en enkelt nanopartikel