Nanopartiklar – de med en diameter som är mindre än en tusendel av ett människohår – är allt vanligare inom högteknologi, medicin, och konsumtionsvaror. Deras egenskaper, både önskvärt och oönskat, beroende av deras storlek.

Till exempel, en nanopartikel (NP) i blodomloppet som är 50 nanometer (nm, miljarddels meter) bred kan ha begränsad effekt på cellerna den möter; men en 20 nm version av exakt samma material kan vara giftig. Storleksöverväganden är särskilt viktiga om, som förväntat, NP kommer att spela en viktig roll i cancerterapi. Som ett resultat, noggranna mätningar av en partikels volym är viktiga.

Men volymen som mäts med olika verktyg kan variera kraftigt. Till exempel, en ny analys av forskare vid NIST har visat att när samma uppsättning NP mäts med de två mest använda referensmetoderna, beräknade volymuppskattningar kan skilja sig med så mycket som 160 % på grund av inneboende fördomar i varje metod. För att rätta till den situationen, forskarna har föreslagit och testat ett nytt kombinerat mätschema som kan minimera fel och samtidigt bibehålla hög mätgenomströmning.

"Under en lång tid, även om många människor arbetade med detta problem, det har funnits olika svar från de olika metoderna och ingen verkade veta vilken metod som var korrekt eller vad som är rätt storlek på nanopartiklar, " säger Ravikiran Attota, som ledde forskningen.

Kärnan i problemet är att antaganden görs när man mäter volymen av NP, speciellt oregelbundet formade NP (IS-NP). Dessutom, NP-volymen mäts endast sällan direkt. Istället, tredimensionell storlek extrapoleras vanligtvis. Ofta använda referensverktyg som svepelektronmikroskopi (SEM) och atomkraftmikroskopi (AFM) mäter volymen genom att använda väldigt olika metoder.

I SEM, en fokuserad stråle av elektroner skannas över partikeln ovanifrån för att producera en 2D-bild av längd och bredd. Denna uppifrån-och-ned-strategi kan inte bestämma en partikels höjd, som antas ha ungefär samma storlek som de andra två dimensionerna.

I AFM-metoden, en vass sond flyttas över NP för att bara registrera dess topphöjd, inte bredden eller längden, som antas vara ungefär lika.

I vilket fall, data matas in i en algoritm som beräknar volymen som partikeln skulle ha om den vore en perfekt sfär.

Mätningar av samma parti partiklar skiljer sig markant beroende på vilken av de två metoderna som används, och den diskrepansen är ett ökänt problem inom nanovetenskap. NIST-forskarna fann att varje metod har en distinkt bias eftersom resultaten påverkas både av den position där NP:er kommer att vila på ytan på vilken de mäts, och av typen av mätning.

Om inte partiklarna är perfekt sfäriska, SEM-mätningar ger vanligtvis större värden för partikeldiameter, och skillnaden mellan SEM- och AFM-mätningar blir större ju mer som IS-NP-formen avviker från en sfär. Till exempel, en IS-NP formad som en hamburgerbulle – det vill säga, mycket bredare än det är högt – kommer att se större ut ur SEM-perspektivet uppifrån och ned än ur AFM-perspektivet endast höjd.

För att uppnå det lägsta felet i volymuppskattningar - forskarna vid NIST föreslår - bör mätningar göras med både SEM- och AFM-tekniker för att producera en mer exakt 3D-form. (Se diagram.) Efter att ha testat idén i modeller och simuleringar med datorgenererade former, de använde ett sortiment av 54 oregelbundet formade akvariestenar i glas vars volym kunde bestämmas exakt. Genom att använda kombinationsmätningstekniken för att beräkna volym producerade värden som skilde sig mindre än 1 % från den faktiska uppmätta volymen.

Forskarna tillämpade sedan tekniken på faktiska SEM- och AFM-mätningar gjorda på samma guldnanopartiklar med diametrar runt 50 nm. Resultaten stämde väl överens med simuleringarna och stenexperimenten, although limited by the fact that SEM measurements cannot exactly detect the edges of gold nanoparticles. The scientists speculate that a related technology, called transmission electron microscopy, which has more precise edge discrimination, may alleviate the problem.

"The discrepancies between measurement values coming from the different available techniques has been a long-standing headache for serious metrologists, especially as the dimensions get smaller, " says John Kramar, a Group Leader at NIST. "Using this technique will help us to produce much more accurate nanoparticle reference materials."