Wetenschappers van het Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) en Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) in Erlangen presenteren een grote stap voorwaarts in de karakterisering van nanodeeltjes. Ze gebruikten een speciale microscopiemethode op basis van interferentie om bestaande instrumenten te overtreffen. Een mogelijke toepassing van deze techniek is het identificeren van ziekten.

Nanodeeltjes zijn overal. Ze bevinden zich in ons lichaam als eiwitaggregaten, lipideblaasjes of virussen. Ze zitten in ons drinkwater in de vorm van onzuiverheden. Ze bevinden zich in de lucht die we inademen als verontreinigende stoffen. Tegelijkertijd zijn veel medicijnen gebaseerd op de afgifte van nanodeeltjes, inclusief de vaccins die we onlangs hebben gekregen. In navolging van de pandemieën zijn ook de snelle tests die worden gebruikt voor de detectie van de SARS-Cov-2 gebaseerd op nanodeeltjes. De rode lijn, die we dag na dag in de gaten houden, bevat talloze gouden nanodeeltjes die zijn gecoat met antilichamen tegen eiwitten die infectie melden.

Technisch gesproken noemt men iets een nanodeeltje wanneer de grootte (diameter) kleiner is dan één micrometer. Objecten in de orde van grootte van één micrometer kunnen nog steeds worden gemeten in een normale microscoop, maar deeltjes die veel kleiner zijn, zeg kleiner dan 0,2 micrometer, worden buitengewoon moeilijk te meten of te karakteriseren. Interessant is dat dit ook het groottebereik is van virussen, die zo klein kunnen worden als 0,02 micrometer.

Wetenschappers en ingenieurs hebben in de loop der jaren een aantal instrumenten ontwikkeld om nanodeeltjes te karakteriseren. Idealiter wil men hun concentratie meten, hun grootte en grootteverdeling beoordelen en hun substantie bepalen. Een high-end voorbeeld is een elektronenmicroscoop. Maar deze technologie heeft veel tekortkomingen. Het is erg omvangrijk en duur, en de onderzoeken duren te lang omdat monsters zorgvuldig moeten worden voorbereid en in vacuüm moeten worden geplaatst. En zelfs dan blijft het moeilijk om de substantie van de deeltjes te bepalen die je in een elektronenmicroscoop ziet.

Een snel, betrouwbaar, licht en draagbaar apparaat dat in de spreekkamer of in het veld kan worden gebruikt, zou een enorme impact hebben. Een paar optische instrumenten op de markt bieden dergelijke oplossingen, maar hun resolutie en precisie waren onvoldoende om kleinere nanodeeltjes te onderzoeken, bijvoorbeeld veel kleiner dan 0,1 micrometer (of anders gezegd 100 nm).

Een groep onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light en Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin hebben nu een nieuw apparaat uitgevonden dat een grote sprong voorwaarts maakt in de karakterisering van nanodeeltjes. De methode heet iNTA, een afkorting voor Interferometrische Nanoparticle Tracking Analysis. Hun resultaten worden gerapporteerd in het meinummer van Nature Methods .

De methode is gebaseerd op de interferometrische detectie van het licht dat wordt verstrooid door individuele nanodeeltjes die in een vloeistof ronddwalen. In zo'n medium beweegt thermische energie voortdurend deeltjes in willekeurige richtingen. Het blijkt dat de ruimte die een deeltje in een bepaalde tijd verkent, correleert met zijn grootte. Met andere woorden, kleine deeltjes bewegen "sneller" en beslaan een groter volume dan grote deeltjes. De vergelijking die dit fenomeen beschrijft - de Stokes-Einstein-relatie - dateert uit het begin van de vorige eeuw en is sindsdien in veel toepassingen gebruikt. In een notendop, als je een nanodeeltje zou kunnen volgen en statistieken over zijn zenuwachtige traject zou kunnen verzamelen, zou je de grootte ervan kunnen afleiden. De uitdaging is dus om zeer snelle films op te nemen van kleine deeltjes die voorbij bewegen.

Wetenschappers van MPL hebben de afgelopen twee decennia een speciale microscopiemethode ontwikkeld, bekend als interferometrische verstrooiing (iSCAT) microscopie. Deze techniek is extreem gevoelig bij het detecteren van nanodeeltjes. Door iSCAT toe te passen op het probleem van de verspreiding van nanodeeltjes, realiseerde de MPL-groep zich dat ze beter kunnen presteren dan de bestaande instrumenten op de markt. De nieuwe technologie heeft een bijzonder voordeel bij het ontcijferen van mengsels van nanodeeltjes met verschillende groottes en verschillende materialen.

De toepassingen van de nieuwe methode zijn legio. Een bijzonder opwindende reeks toepassingen betreft voertuigen van nanoformaat die worden uitgescheiden door cellen, de zogenaamde extracellulaire blaasjes. Deze zijn gemaakt van een lipide-omhulsel, net als een nano-zeepbel. Maar de schaal en de binnenvloeistof bevatten ook eiwitten, die ons vertellen over de oorsprong van de blaasjes, d.w.z. uit welk orgaan of cellulair proces. Wanneer de eiwithoeveelheid en/of de vesikelgrootte afwijken van het normale bereik, kan het zijn dat de persoon ziek is. Daarom is het erg belangrijk om manieren te vinden om extracellulaire blaasjes te karakteriseren.

De onderzoekers van het MPL en MPZPM werken nu aan de ontwikkeling van een bench-top systeem waarmee wetenschappers wereldwijd kunnen profiteren van de voordelen van iNTA. + Verder verkennen

De beweging van een enkel nanodeeltje volgen