Een team van wetenschappers van de Penn State University heeft een nieuw systeem uitgevonden dat magnetisme gebruikt om hybride nanodeeltjes te zuiveren - structuren die zijn samengesteld uit twee of meer soorten materialen in een extreem klein deeltje dat alleen zichtbaar is met een elektronenmicroscoop. Teamleiders Mary Beth Williams, een universitair hoofddocent scheikunde, en Raymond Schaak, een professor in de chemie, legde uit dat de nooit eerder beproefde methode wetenschappers niet alleen zal helpen om onzuiverheden uit dergelijke deeltjes te verwijderen, het zal onderzoekers ook helpen onderscheid te maken tussen hybride nanodeeltjes die identiek lijken te zijn wanneer ze worden bekeken onder een elektronenmicroscoop, maar die een ander magnetisme hebben -- een grote uitdaging in recent onderzoek naar nanodeeltjes. Het systeem belooft te helpen bij het verbeteren van de medicijnafgiftesystemen, technologieën voor drugstargeting, medische beeldvormingstechnologieën, en elektronische informatieopslagapparaten. Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Agewandte Chemie en is beschikbaar op de early-online website van het tijdschrift.

Schaak legde uit dat het zuiveren van hybride nanodeeltjes een enorme uitdaging is, vooral wanneer nanodeeltjes zijn ontworpen voor menselijk gebruik - bijvoorbeeld, voor medicijnafgifte of als alternatief voor contrastkleurstoffen voor patiënten die MRI-onderzoeken ondergaan. "Het probleem is dat hoewel moleculen worden gesynthetiseerd en gezuiverd met behulp van bekende methoden, er zijn geen analoge methoden voor het zuiveren van nanodeeltjes, " zei Schaak. "Hybride deeltjes zijn vooral een uitdaging omdat de methoden die worden gebruikt om ze te maken vaak onzuiverheden achterlaten die niet gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd of verwijderd. Onzuiverheden kunnen de eigenschappen van een monster veranderen, bijvoorbeeld, door ze giftig te maken, dus het is een grote uitdaging om manieren te vinden om dergelijke onzuiverheden te verwijderen."

Het team heeft de krachten gebundeld om een ​​manier te vinden om hybride nanodeeltjes te zuiveren. "We moesten een manier vinden om onzuiverheden van de beoogde nanodeeltjes te scheiden, zelfs als deze deeltjes qua grootte en vorm vergelijkbaar zijn, vanwege de potentieel zeer grote gevolgen van onzuiverheden op het uiteindelijke gebruik van nanodeeltjes, "Zei Schaak. Het nieuwe systeem van het team doet precies dat. De innovatieve techniek gebruikt de magnetische componenten van nanodeeltjes om ze van elkaar te onderscheiden en om onzuiverheden van de beoogde nanodeeltjesstructuren te scheiden.

"Onze methode maakt gebruik van magnetische velden om de stroom van deeltjes door kleine glazen buisjes, capillairen genaamd, te vertragen. Williams legde uit. "We gebruiken een magneet om magnetische deeltjes tegen de wand van de buis te trekken en, wanneer het magnetische veld wordt verminderd, de deeltjes stromen uit het capillair. Magnetisme neemt toe naarmate het deeltjesvolume toeneemt, zo kleine en geleidelijke veranderingen in het magnetische veld laten ons langzaam scheiden en onderscheid maken tussen nanodeeltjes op basis van zelfs minieme magnetische en structurele verschillen."

De paper van het team laat zien hoe magnetische velden kunnen worden gebruikt om hybride nanodeeltjes te scheiden en te onderscheiden in een mengsel van enigszins verschillende structuren en vormen. In een voorbeeld, de onderzoekers scheidden "nano-bloemen, " zo genoemd vanwege hun bloembladachtige opstelling rond een vaste kern, uit bolvormige deeltjes. Williams legde uit dat het magnetisme van de deeltjes afhangt van hun vorm, dus deeltjes met een andere vorm hechten zich aan de capillaire wand wanneer verschillende magnetische velden worden toegepast, waardoor de onderzoekers onderscheid kunnen maken tussen de verschillende deeltjes.

In een ander voorbeeld in de krant, de onderzoekers lieten zien hoe de magnetische-veldmethode kan worden gebruikt met een klasse nanodeeltjes die de "nano-olijf, " wat een bolvormig deeltje is dat bestaat uit twee verschillende materialen die zijn samengevoegd in een vorm die doet denken aan een olijf. De nano-olijven, die zijn samengesteld uit ijzer, platina, en zuurstof, kan op elkaar lijken, maar ze kunnen enigszins verschillende interne samenstellingen hebben die onmogelijk te detecteren zijn onder een microscoop. "Bijvoorbeeld, sommige hebben mogelijk meer ijzergehalte, " legt Schaak uit. "Dit is een eigenschap die we kunnen gebruiken voor zuivering met onze methode omdat deze nanodeeltjes een beetje meer magnetisch zijn. Ze plakken gemakkelijker langs de wanden van de capillaire buizen, terwijl er meer magnetisch zwakke deeltjes naar buiten stromen."

De nieuwe zuiverings- en scheidingsmethode kent vele toepassingen, vooral op het gebied van geneeskunde en diagnostiek. Bijvoorbeeld, nanodeeltjes kunnen worden gebruikt in plaats van contrastkleurstof wanneer patiënten MRI-beeldvormingsonderzoeken ondergaan. Dergelijke deeltjes kunnen worden gebruikt om te volgen waar een medicijn zich in het menselijk lichaam verplaatst. "Sommige patiënten zijn allergisch voor traditionele contrastkleurstoffen, dus nanodeeltjes bieden een veelbelovend alternatief, ' zei Willems.

Williams legde ook uit dat een van de zeer futuristische dromen van onderzoek naar nanodeeltjes is dat het ooit kan worden gebruikt om kankerbestrijdende medicijnen te verbeteren. "Helaas, chemotherapie medicijnen discrimineren niet:ze vallen gezond weefsel aan, evenals kankerweefsel, Williams zei. "Als we nanodeeltjestechnologie zouden kunnen gebruiken om precies te manipuleren waar de medicijnen naartoe gaan, welk weefsel ze aanvallen, en die ze met rust laten, we kunnen enkele van de slechte bijwerkingen van chemotherapie aanzienlijk verminderen, zoals haaruitval en misselijkheid. Maar om dit te doen, moeten we onzuiverheden van nanodeeltjes kunnen scheiden om ze veilig te maken voor medisch gebruik. Dat is waar deze nieuwe technologie om de hoek komt kijken."

Naast Williams en Schaak, andere leden van het onderzoeksteam zijn onder meer Jacob S. Beveridge, Matthew R. Buck, en James F. Bondi van de afdeling scheikunde van Penn State; en Rajiv Misra en Peter Schiffer van de afdeling Natuurkunde en het Materials Research Institute in Penn State.