Små nanopartiklar spelar en enorm roll i det moderna livet, även om de flesta konsumenter inte är medvetna om sin närvaro. De tillhandahåller viktiga ingredienser i solskyddsmedel, förhindra fotsvamp i strumpor, och bekämpa mikrober på bandage. De förstärker färgerna på populära godisar och håller florsockret på munkar pulveraktigt. De används till och med i avancerade läkemedel som riktar sig mot specifika typer av celler i cancerbehandlingar.

När kemister analyserar ett prov, dock, det är utmanande att mäta storleken och mängden av dessa partiklar – som ofta är 100, 000 gånger mindre än tjockleken på ett papper. Tekniken erbjuder många alternativ för att bedöma nanopartiklar, men experter har inte nått enighet om vilken teknik som är bäst.

I en ny artikel från National Institute of Standards and Technology (NIST) och samarbetande institutioner, Forskare har kommit fram till att mätning av storleksintervallet i nanopartiklar – istället för bara den genomsnittliga partikelstorleken – är optimalt för de flesta applikationer.

"Det verkar som ett enkelt val, " sa NISTs Elijah Petersen, tidningens huvudförfattare, som publicerades idag i Miljövetenskap:Nano . "Men det kan ha stor inverkan på resultatet av din bedömning."

Som med många mätfrågor, precision är nyckeln. Exponering för en viss mängd av vissa nanopartiklar kan ha negativa effekter. Farmaceutiska forskare behöver ofta noggrannhet för att maximera ett läkemedels effektivitet. Och miljöforskare behöver veta, till exempel, hur många nanopartiklar av guld, silver eller titan kan potentiellt orsaka en risk för organismer i mark eller vatten.

Att använda fler nanopartiklar än vad som behövs i en produkt på grund av inkonsekventa mätningar kan också slösa pengar för tillverkarna.

Även om de kanske låter ultramoderna, nanopartiklar är varken nya eller baserade enbart på högteknologiska tillverkningsprocesser. En nanopartikel är egentligen bara en submikroskopisk partikel som mäter mindre än 100 nanometer på minst en av dess dimensioner. Det skulle vara möjligt att placera hundratusentals av dem på huvudet av en nål. De är spännande för forskare eftersom många material fungerar annorlunda i nanometerskala än de gör i större skala, och nanopartiklar kan göras för att göra massor av användbara saker.

Nanopartiklar har använts sedan forntida Mesopotamiens dagar, när keramiker använde extremt små metallbitar för att dekorera vaser och andra kärl. I 300-talets Rom, glashantverkare malde metall till små partiklar för att ändra färgen på sina varor under olika belysning. Dessa tekniker glömdes bort ett tag men återupptäcktes på 1600-talet av fyndiga tillverkare för glastillverkning igen. Sedan, på 1850-talet, vetenskapsmannen Michael Faraday undersökte omfattande sätt att använda olika typer av tvättblandningar för att förändra prestanda hos guldpartiklar.

Modern nanopartikelforskning avancerade snabbt i mitten av 1900-talet på grund av tekniska innovationer inom optik. Att kunna se de enskilda partiklarna och studera deras beteende utökade möjligheterna till experiment. De största framstegen kom, dock, efter att experimentell nanoteknik tog fart på 1990-talet. Plötsligt, beteendet hos enskilda partiklar av guld och många andra ämnen kunde noggrant undersökas och manipuleras. Upptäcker om hur små mängder av ett ämne skulle reflektera ljus, absorbera ljus, eller förändringar i beteende var många, leder till inkorporering av nanopartiklar i många fler produkter.

Debatter har sedan följt om deras mätning. När man bedömer hur celler eller organismer svarar på nanopartiklar, vissa forskare föredrar att mäta partikelantalkoncentrationer (ibland kallade PNCs av forskare). Många tycker att PNC:er är utmanande eftersom extra formler måste användas för att fastställa den slutliga mätningen. Andra föredrar att mäta mass- eller ytareakoncentrationer.

PNC:er används ofta för att karakterisera metaller i kemi. Situationen för nanopartiklar är till sin natur mer komplex, dock, än det är för lösta organiska eller oorganiska ämnen eftersom till skillnad från lösta kemikalier, nanopartiklar kan komma i en mängd olika storlekar och ibland hålla ihop när de läggs till testmaterial.

"Om du har en löst kemikalie, det kommer alltid att ha samma molekylformel, per definition, " säger Petersen. "Nanopartiklar har inte bara ett visst antal atomer, dock. Vissa kommer att vara 9 nanometer, några blir 11, vissa kan vara 18, och vissa kan vara 3."

Problemet är att var och en av dessa partiklar kan fylla en viktig roll. Även om en enkel uppskattning av partikelantal är perfekt för vissa industriella tillämpningar, terapeutiska tillämpningar kräver mycket mer robust mätning. När det gäller cancerterapier, till exempel, varje partikel, oavsett hur stor eller liten, kan leverera ett nödvändigt motgift. Och precis som med alla andra typer av dosering, Nanopartikeldoseringen måste vara exakt för att vara säker och effektiv.

Att använda intervallet av partikelstorlekar för att beräkna PNC kommer ofta att vara det mest användbara i de flesta fall, sa Petersen. Storleksfördelningen använder inte ett medelvärde eller ett medelvärde men noterar den fullständiga fördelningen av storleken på partiklar så att formler kan användas för att effektivt upptäcka hur många partiklar som finns i ett prov.

Men oavsett vilket tillvägagångssätt som används, forskare måste notera det i sina papper, för jämförbarhetens skull med andra studier. "Anta inte att olika tillvägagångssätt kommer att ge dig samma resultat, " han sa.

Petersen tillägger att han och hans kollegor blev förvånade över hur mycket beläggningarna på nanopartiklar kunde påverka mätningen. Vissa beläggningar, han noterade, kan ha en positiv elektrisk laddning, orsakar klumpar.

Petersen arbetade i samarbete med forskare från federala laboratorier i Schweiz, och med forskare från 3M som tidigare har gjort många nanopartikelmätningar för användning i industriella miljöer. Forskare från Schweiz, som de i stora delar av resten av Europa, are keen to learn more about measuring nanoparticles because PNCs are required in many regulatory situations. There hasn't been much information on which techniques are best or more likely to yield the most precise results across many applications.

"Until now we didn't even know if we could find agreement among labs about particle number concentrations, " Petersen says. "They are complex. But now we are beginning to see it can be done."