Spaanse wetenschappers van de Universiteit van Barcelona hebben een manier gevonden om objecten en virussen op nanoschaal effectief te identificeren die een doorbraak kunnen bieden voor biomedische diagnostiek, milieubescherming en nano-elektronica

Wetenschappers hebben de afgelopen twee decennia verbazingwekkende vooruitgang geboekt bij het zien en manipuleren van materialen op nanoschaal. Met nieuwe generatie microscopen kunnen onderzoekers de morfologie van objecten op nanoschaal verkennen, zoals nanodeeltjes, enkele moleculen en atomen, in hun natuurlijke omgeving.

Ondanks de technologische vooruitgang, echter, er zijn nog grote hindernissen te overwinnen bij het meten van de mechanische, chemisch, elektrische en thermische eigenschappen die elk object uniek maken. Dit is cruciaal, want alleen door deze eigenschappen te begrijpen, kunnen we nano-objecten met vergelijkbare vormen maar verschillende chemische soorten onderscheiden en volgen en, als het gaat om biologische complexen, bestuderen hoe ze functioneren en ontdekken welke cruciale rollen ze in het lichaam spelen.

Wetenschappers die op nanoschaal werken, zijn lange tijd afhankelijk geweest van chemische etikettering - met een zichtbare stof, zoals fluorescerende kleurstof, in het doelobject - om zijn aanwezigheid en fysieke distributie te detecteren. Maar het labelen van moleculen kan misleidende resultaten geven over hun eigenschappen. Om deze reden, een dringende behoefte in materiaalwetenschap en biologie is om de samenstelling van nano-objecten in situ te identificeren - waar ze hun functies manifesteren - zonder toevlucht te nemen tot etikettering.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Universiteit van Barcelona (UB) en het Instituut voor Bio-engineering van Catalonië (IBEC), in samenwerking met het Centro National de Biotecnologia (CNB-CSIC) in Madrid, hebben een nieuwe techniek geperfectioneerd die gebruik maakt van een elektrostatische krachtmicroscoop (EFM), een soort atoomkrachtmicroscoop, om nano-objecten ondubbelzinnig te identificeren zonder dat er labels nodig zijn.

Bij atoomkrachtmicroscopie, een tip van nanoformaat aan het uiteinde van een microhendel wordt over een object op nanoschaal gesleept. Dit voelt zijn vorm, zoals iemand zijn vingers over braille beweegt om te lezen. De beweging van de hendel wordt elektronisch gecontroleerd om het beeld in een computer te reconstrueren. “Echter, dit beeld blijft beperkt tot de oppervlaktestructuur, wat niet veel zin heeft als ons doelobject onder andere van vergelijkbare vorm ligt en we niet precies weten waar, ” legt Laura Fumagalli uit, hoofdauteur van de studie die verschijnt in Natuurmaterialen gisteren. “In deze situatie mensen zouden een van hun andere zintuigen gebruiken, zoals geur of smaak, om te herkennen wat een stof precies is – dus gebruikten we een vergelijkbare aanpak.”

Alle objecten vertonen een karakteristieke ‘diëlektrische constante’, of permittiviteit, die een indicatie geeft van hoe het materiaal waarvan ze zijn gemaakt, reageert op een aangelegd elektrisch veld. Door EFM te gebruiken, de onderzoekers pasten het elektrische veld toe op de nano-objecten met behulp van de nano-tip, en voelde de kleine beweging van de hefboom veroorzaakt door de diëlektrische reacties van de objecten.

“Toen we hun diëlektrische constanten precies hadden gekwantificeerd, we konden deze vervolgens gebruiken als een 'vingerafdruk' om objecten met een identieke vorm maar met een verschillende samenstelling te onderscheiden, die anders niet te herkennen zou zijn zonder etikettering, ', legt Fumagalli uit. “Eerder, EFM was alleen in staat om onderscheid te maken tussen metalen en niet-metalen nano-objecten in zwart-wit experimenten. Nu hebben we kwantitatief herkend die gemaakt zijn van zeer vergelijkbare materialen en met lage diëlektrische constanten, zoals het geval is met veel biologische complexen.” De belangrijkste ontwikkelingen die de onderzoekers hebben gedaan om dit te bereiken, waren het verhogen van de elektrische resolutie van de microscoop met bijna twee ordes van grootte, zodat ze ultrazwakke krachten konden detecteren. Ze gebruikten ook geometrisch stabiele nanotips, evenals een nauwkeurige methode om hun resultaten te modelleren die rekening houdt met de fysica van een systeem en al zijn geometrische artefacten.

“Onze werkwijze, een niet-invasieve manier om de interne toestand van objecten te bepalen en deze te correleren met hun functies zonder te snijden of te labelen, zal een instrument van onschatbare waarde zijn voor diverse gebieden van wetenschappelijk onderzoek, " zegt Gabriël Gomila, co-auteur van de studie en groepsleider bij IBEC. “Het is vooral belangrijk in nanogeneeskunde voor biomedische diagnostiek, de deur openen naar kwantitatieve labelvrije detectie van biologische macromoleculen zoals virussen op basis van hun diëlektrische eigenschappen. evenzo, het kan worden toegepast om nanodeeltjes te detecteren voor monitoring en bescherming van het milieu.”

De onderzoekers hebben hun techniek toegepast op belangrijke biologische complexen, zoals virussen. Door voor het eerst de diëlektrische eigenschappen van dergelijke nano-objecten te ontrafelen, die tot nu toe onbereikbaar waren, ze kunnen mogelijk belangrijke aspecten van de functionaliteit van een virus blootleggen. Met hun techniek, ze maakten onderscheid tussen lege en DNA-bevattende virussen, bijvoorbeeld, dat zijn degenen die hun genetisch materiaal in het DNA van een gastheercel kunnen invoegen.

"Deze resultaten zijn ook een doorbraak in de fundamentele studie van diëlektrica op nanoschaal, wat de bouwstenen zijn die de prestaties van de nieuwe generatie nano-elektronische apparaten van vandaag bepalen, ” voegt Fumagalli toe, die ook docent is aan de afdeling Elektronica van de Universiteit van Barcelona, net als Gomila. "Onze nieuwe techniek belooft licht te werpen op vragen over de diëlektrische eigenschappen van nieuw ontwikkelde nanocomposieten en hybride nanodevices, en kan ons vertellen hoe klein een diëlektrisch object zijn eigenschappen kan behouden - met andere woorden, hoe klein kunnen we gaan.”