Spanska forskare vid universitetet i Barcelona har hittat ett sätt att effektivt identifiera objekt och virus i nanoskala som kan erbjuda ett genombrott för biomedicinsk diagnostik, miljöskydd och nanoelektronik
Forskare har gjort fantastiska framsteg under de senaste två decennierna när det gäller att se och manipulera material i nanoskala. Den nya generationens mikroskop gör det möjligt för forskare att utforska morfologin hos objekt i nanoskala, som nanopartiklar, enskilda molekyler och atomer, i sin naturliga miljö.
Trots de tekniska framstegen, dock, det finns fortfarande stora hinder att övervinna när det gäller att mäta det mekaniska, kemisk, elektriska och termiska egenskaper som gör varje föremål unikt. Detta är avgörande, för endast genom att förstå dessa egenskaper kan vi särskilja och övervaka nanoobjekt med liknande former men olika kemiska arter och, när det gäller biologiska komplex, studera hur de fungerar och upptäck de avgörande rollerna de spelar i kroppen.
Forskare som arbetar på nanoskala har länge varit tvungna att förlita sig på kemisk märkning – som innehåller ett synligt ämne, såsom fluorescerande färgämne, in i målobjektet – för att upptäcka dess närvaro och fysiska distribution. Men märkning av molekyler kan ge missvisande resultat om deras egenskaper. Av denna anledning, ett trängande behov inom materialvetenskap och biologi är att identifiera sammansättningen av nanoobjekt på plats – där de manifesterar sina funktioner – utan att tillgripa märkning.
Nu, forskare vid University of Barcelona (UB) och Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), i samarbete med Centro National de Biotecnologia (CNB-CSIC) i Madrid, har fulländat en ny teknik som använder ett elektrostatiskt kraftmikroskop (EFM), en typ av atomkraftmikroskop, att entydigt identifiera nanoobjekt utan behov av etiketter.
I atomkraftmikroskopi, en spets i nanostorlek på änden av en mikrospak dras över ett föremål i nanoskala. Detta känner av dess form, ungefär som en person flyttar sina fingrar över punktskrift för att läsa. Spakens rörelse övervakas elektroniskt för att rekonstruera bilden i en dator. "Men denna bild förblir begränsad till ytstrukturen, vilket inte är mycket användbart om vårt målobjekt ligger bland andra av liknande form och vi inte vet exakt var, ” förklarar Laura Fumagalli, huvudförfattare till studien som visas i Naturmaterial i går. "I den här situationen, människor skulle använda ett av sina andra sinnen, som lukt eller smak, för att känna igen exakt vad ett ämne är – så vi använde ett liknande tillvägagångssätt.”
Alla föremål uppvisar en karakteristisk "dielektrisk konstant", eller permittivitet, vilket ger en indikation på hur materialet de är gjorda av reagerar på ett pålagt elektriskt fält. Genom att använda EFM, forskarna applicerade det elektriska fältet på nanoobjekten med hjälp av nanospetsen, och kände den lilla rörelsen hos spaken som inducerades av objektens dielektriska svar.
"När vi hade kvantifierat deras dielektriska konstanter exakt, vi kunde sedan använda dessa som ett "fingeravtryck" för att urskilja föremål med identisk form men olika sammansättning, som annars skulle vara omöjliga att känna igen utan märkning, ” förklarar Fumagalli. "Tidigare, EFM hade bara kunnat skilja mellan metalliska och icke-metalliska nanoobjekt i svart-vita experiment. Nu har vi kvantitativt känt igen de som är gjorda av mycket liknande material och med låga dielektriska konstanter, som är fallet med många biologiska komplex.” Den viktigaste utvecklingen som forskarna gjorde för att uppnå detta var att öka mikroskopets elektriska upplösning med nästan två storleksordningar, så de kunde upptäcka ultrasvaga krafter. De använde också geometriskt stabila nanospetsar, samt en exakt metod för att modellera deras resultat som tar hänsyn till fysik i ett system och alla dess geometriska artefakter.
"Vår metod, ett icke-invasivt sätt att bestämma objektens inre tillstånd och korrelera dessa med deras funktioner utan att skiva eller märka, kommer att vara ett ovärderligt verktyg för olika områden av vetenskaplig forskning, säger Gabriel Gomila, medförfattare till studien och gruppledare på IBEC. "Det är särskilt viktigt inom nanomedicin för biomedicinsk diagnostik, öppnar dörren till kvantitativ märkningsfri detektion av biologiska makromolekyler såsom virus baserat på deras dielektriska egenskaper. Liknande, den kan användas för att detektera nanopartiklar för miljöövervakning och miljöskydd."
Forskarna har tillämpat sin teknik på viktiga biologiska komplex, såsom virus. Genom att för första gången reda ut de dielektriska egenskaperna hos sådana nanoobjekt, som hittills varit otillgängliga, de kanske kan avslöja viktiga aspekter av ett viruss funktionalitet. Med sin teknik, de skilde mellan tomma och DNA-innehållande virus, till exempel, som är de som kan infoga sitt genetiska material i en värdcells DNA.
"Dessa resultat är också ett genombrott i den grundläggande studien av dielektrik i nanoskala, vilka är byggstenarna som bestämmer prestandan hos den nya generationen av nanoelektroniska enheter idag, ” tillägger Fumagalli, som också är föreläsare vid elektronikavdelningen vid universitetet i Barcelona, liksom Gomila. "Vår nya teknik lovar att belysa frågor om de dielektriska egenskaperna hos nyutvecklade nanokompositer och hybrid nanoenheter, och kan berätta för oss i hur liten skala ett dielektriskt föremål kan behålla sina egenskaper – med andra ord, hur små vi kan bli."
