Rice University-forskare ledde ett projekt för att "se" och mäta utrymmet i porösa material, även om det utrymmet är för litet eller ömtåligt för traditionella mikroskop.

Kemisten Christy Landes rislabb uppfann en teknik för att karakterisera sådana nanoskala utrymmen, ett viktigt framsteg mot hennes grupps pågående projekt för att effektivt separera "proteiner av intresse" för läkemedelstillverkning. Det bör också gynna analysen av porösa material av alla slag, som flytande kristaller, hydrogeler, polymerer och till och med biologiska ämnen som cytosol, de uppdelade vätskorna i cellerna.

Forskningen med medarbetare vid University of California, Los Angeles (UCLA) och Kansas State University visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Det är lätt att använda en fluorescerande kemisk förening för att märka, eller "etikett, "ett material och ta en bild av det, sa Landes. "Men tänk om det du vill ha en bild av mest är ingenting? Det är problemet vi var tvungna att lösa för att förstå vad som pågick i separationsmaterialet."

Teamet syftar till att förbättra proteinseparationen i en process som kallas kromatografi, i vilka lösningar strömmar genom poröst material i en kolonn. Eftersom olika material färdas med olika hastigheter, komponenterna separeras och kan renas.

"Vi lärde oss att i agaros, ett poröst material som används för att separera proteiner, klustringen av avgifter är mycket viktig, " sa Landes. Medan proteinprojektet lyckades, "när vi matchade experimentella data med vår teori, det var något ytterligare som bidrog till separationen som vi inte kunde förklara."

Svaret verkade vara hur laddade partiklar som ligander i nanoskala ordnade sig i porerna. "Det var den enda möjliga förklaringen, " sa Landes. "Så vi behövde ett sätt att avbilda porerna."

Standardtekniker som atomkraft, Röntgen- och elektronmikroskopi skulle kräva att prover antingen fryses eller torkas. "Det skulle antingen krympa eller svälla eller förändra deras strukturer, " Hon sa.

Det föll för teamet att kombinera sin erfarenhet med Nobelprisbelönta superupplösningsmikroskopi och fluorescenskorrelationsspektroskopi. Superupplösningsmikroskopi är ett sätt att se objekt med upplösningar under diffraktionsgränsen, vilket begränsar visningen av saker som är mindre än våglängden av ljus som riktas mot dem.

Korrelationsspektroskopi är ett sätt att mäta fluorescerande partiklar när de fluktuerar. Genom att knäcka data som samlats in via en kombination av superupplösningsmikroskopi och korrelationsspektroskopi, forskarna kartlade skivor av materialet för att se var laddade partiklar tenderade att samlas.

Den kombinerade tekniken, som de kallar fcsSOFI (för "fluorescenskorrelationsspektroskopi superupplösning optisk fluktuationsavbildning"), mäter fluorescerande taggar när de diffunderar i porerna, som gör det möjligt för forskare att samtidigt karakterisera dimensioner och dynamik i porerna. Labben testade sin teknik på både mjuka agaroshydrogeler och lyotropa flytande kristaller. Nästa, de planerar att utöka sin kartläggning till tredimensionella utrymmen.

"Vi har nu båda pusselbitarna:vi kan se våra proteiner interagera med laddningar i vårt porösa material, och vi kan mäta porerna, ", sa Landes. "Detta har direkt relevans för proteinseparationsproblemet för läkemedelsindustrin på 100 miljarder dollar."