Ett team av forskare från Penn State University har uppfunnit ett nytt system som använder magnetism för att rena hybridnanopartiklar - strukturer som är sammansatta av två eller flera typer av material i en extremt liten partikel som bara är synlig med ett elektronmikroskop. Teamledare Mary Beth Williams, en docent i kemi, och Raymond Schaak, professor i kemi, förklarade att den aldrig tidigare prövade metoden inte bara kommer att hjälpa forskare att ta bort föroreningar från sådana partiklar, det kommer också att hjälpa forskare att skilja mellan hybridnanopartiklar som verkar vara identiska när de ses under ett elektronmikroskop, men som har olika magnetism - en stor utmaning i den senaste forskningen om nanopartiklar. Systemet har löftet att hjälpa till att förbättra läkemedelsleveranssystemen, läkemedelsinriktade tekniker, medicinsk bildteknik, och elektroniska informationslagringsanordningar. Uppsatsen kommer att publiceras i tidskriften Agewandte Chemie och finns tillgänglig på tidskriftens tidiga webbsida.

Schaak förklarade att rena hybridnanopartiklar utgör en enorm utmaning, speciellt när nanopartiklar är designade för mänsklig användning -- till exempel, för läkemedelstillförsel eller som kontrastfärgsalternativ för patienter som genomgår MRT-studier. "Problemet är att även om molekyler syntetiseras och renas med välkända metoder, det har inte funnits analoga metoder för att rena nanopartiklar, "Sade Schaak. "Hybridpartiklar är särskilt utmanande eftersom metoderna som används för att göra dem ofta lämnar föroreningar som inte lätt upptäcks eller tas bort. Föroreningar kan ändra egenskaperna hos ett prov, till exempel, genom att göra dem giftiga, så det är en stor utmaning att hitta sätt att ta bort sådana föroreningar."

Teamet kombinerade krafter för att hitta ett sätt att rena hybridnanopartiklar. "Vi var tvungna att hitta ett sätt att separera föroreningar från målnanopartiklarna, även när dessa partiklar är lika i storlek och form, på grund av de potentiellt mycket stora konsekvenserna av föroreningar på den slutliga användningen av nanopartiklar, ", sa Schaak. Teamets nya system gör just det. Den innovativa tekniken använder de magnetiska komponenterna i nanopartiklar för att skilja dem åt och för att separera föroreningar från målnanopartikelstrukturerna.

"Vår metod använder magnetfält för att bromsa flödet av partiklar genom små glasrör som kallas kapillärer, " Williams förklarade. "Vi använder en magnet för att dra magnetiska partiklar mot väggen av röret och, när magnetfältet reduceras, partiklarna strömmar ut ur kapillären. Magnetismen ökar när partikelvolymen ökar, så små och gradvisa förändringar i magnetfältet låter oss sakta separera och skilja mellan nanopartiklar baserat på till och med små magnetiska och strukturella skillnader."

Teamets papper visar hur magnetfält kan användas för att separera och skilja mellan hybridnanopartiklar i en blandning av lite olika strukturer och former. I ett exempel, forskarna separerade "nano-blommor, "så kallade på grund av deras kronbladsliknande arrangemang runt en solid kärna, från sfäriskt formade partiklar. Williams förklarade att partiklarnas magnetism beror på deras form, så att partiklar av annan form fäster vid kapillärväggen när olika magnetfält appliceras, vilket gör det möjligt för forskarna att skilja mellan de olika partiklarna.

I ett annat exempel i tidningen, forskarna visade hur magnetfältsmetoden kan användas med en klass av nanopartiklar som kallas "nano-oliven, " som är en sfärisk partikel som består av två olika material sammanfogade i en form som påminner om en oliv. Nanooliverna, som består av järn, platina, och syre, kan se likadana ut, men de kan ha något olika inre sammansättningar som är omöjliga att upptäcka i mikroskop. "Till exempel, vissa kan ha mer järnhalt, " Schaak förklarade. "Detta är en egenskap vi kan använda för rening med vår metod eftersom dessa nanopartiklar är lite mer magnetiska. De fastnar lättare längs kapillärrörens väggar, medan mer magnetiskt svaga partiklar strömmar ut."

Den nya renings- och separationsmetoden har många applikationer, speciellt inom områdena medicin och diagnostik. Till exempel, nanopartiklar kan användas i stället för kontrastfärg när patienter genomgår MRT-undersökningar. Sådana partiklar kan användas för att spåra var ett läkemedel färdas i människokroppen. "Vissa patienter är allergiska mot traditionella kontrastfärger, så nanopartiklar erbjuder ett lovande alternativ, " sa Williams.

Williams förklarade också att en av de mycket futuristiska drömmarna med nanopartikelforskning är att den en dag kan användas för att förbättra cancerbekämpande läkemedel. "Tyvärr, kemoterapiläkemedel diskriminerar inte:de attackerar frisk vävnad, såväl som cancervävnad, "Sade Williams. "Om vi ​​kunde använda nanopartikelteknologi för att manipulera exakt vart drogerna är på väg, vilken vävnad de angriper, och som de lämnar ifred, vi kan avsevärt minska några av de dåliga biverkningarna av kemoterapi, såsom håravfall och illamående. Men för att göra detta måste vi kunna separera ut nanopartikelföroreningar för att göra dem säkra för medicinskt bruk. Det är där den här nya tekniken kommer in."

Förutom Williams och Schaak, andra medlemmar av forskargruppen inkluderar Jacob S. Beveridge, Matthew R. Buck, och James F. Bondi från Department of Chemistry i Penn State; och Rajiv Misra och Peter Schiffer från Institutionen för fysik och Materialforskningsinstitutet i Penn State.