Новый метод исследования наномира
Ученые из Института наук о свете Макса Планка (MPL) и Центра физики и медицины им. Макса Планка (MPZPM) в Эрлангене сделали большой шаг вперед в характеристике наночастиц. Они использовали специальный метод микроскопии, основанный на интерферометрии, чтобы превзойти существующие инструменты. Одним из возможных применений этого метода может быть выявление болезней.
На картине Василия Кандинского «Несколько кругов» (1926) прекрасно изображена типичная ситуация, когда в образце сосуществуют наночастицы разного размера и материала. iNTA предлагает особенно высокое разрешение при идентификации этих различных популяций. Предоставлено: Институт науки о свете Макса Планка.
Наночастицы повсюду. Они находятся в нашем организме в виде белковых агрегатов, липидных пузырьков или вирусов. Они находятся в нашей питьевой воде в виде примесей. Они находятся в воздухе, которым мы дышим, как загрязняющие вещества. В то же время многие лекарства основаны на доставке наночастиц, в том числе вакцины, которые мы недавно получили. Учитывая пандемии, быстрые тесты, используемые для обнаружения SARS-Cov-2, также основаны на наночастицах. Красная линия, которую мы наблюдаем изо дня в день, содержит мириады золотых наночастиц, покрытых антителами против белков, сообщающих об инфекции.
Технически наночастицами называют то, что их размер (диаметр) меньше одного микрометра. Объекты размером порядка одного микрометра все еще можно измерить в обычный микроскоп, но частицы, которые намного меньше, скажем, меньше 0,2 микрометра, становится чрезвычайно трудно измерить или охарактеризовать. Интересно, что это также диапазон размеров вирусов, которые могут достигать размера 0,02 микрометра.
За прошедшие годы ученые и инженеры разработали ряд инструментов для характеристики наночастиц. В идеале нужно измерить их концентрацию, оценить их размер и распределение по размерам, а также определить их вещество. Яркий пример — электронный микроскоп. Но у этой технологии много недостатков. Это очень громоздко и дорого, а исследования занимают слишком много времени, потому что образцы нужно тщательно готовить и помещать в вакуум. И даже тогда по-прежнему трудно определить вещество частиц, которые можно увидеть в электронном микроскопе.
Быстрое, надежное, легкое и портативное устройство, которое можно использовать в кабинете врача или в полевых условиях, имело бы огромное значение. Несколько оптических инструментов на рынке предлагают такие решения, но их разрешение и точность недостаточны для исследования более мелких наночастиц, например, намного меньше 0,1 микрометра (или, иначе говоря, 100 нм).
Распределение везикул, выделенных из мочи здорового человека, в зависимости от размера везикул и контраста iSCAT (т. е. от того, насколько сильно они рассеивают свет). В настоящее время исследователи изучают такие распределения в сочетании с различными заболеваниями. Предоставлено: Институт науки о свете Макса Планка.
Группа исследователей из Института науки о свете Макса Планка и Центра физики и медицины им. Макса Планка изобрела новое устройство, которое предлагает большой скачок в характеристике наночастиц. Этот метод называется iNTA, сокращение от интерферометрического анализа отслеживания наночастиц. Их результаты опубликованы в майском номере журнала Nature Methods.
Метод основан на интерферометрическом детектировании света, рассеянного отдельными наночастицами, блуждающими в жидкости. В такой среде тепловая энергия постоянно перемещает частицы в случайных направлениях. Получается, что пространство, которое исследует частица в данный момент времени, коррелирует с ее размером. Другими словами, мелкие частицы движутся «быстрее» и покрывают больший объем, чем крупные частицы. Уравнение, описывающее это явление, — соотношение Стокса-Эйнштейна — восходит к началу прошлого века и с тех пор нашло применение во многих приложениях. Короче говоря, если бы можно было проследить за наночастицей и собрать статистику о ее зыбкой траектории, можно было бы определить ее размер. Итак, задача состоит в том, чтобы записывать очень быстрые видеоролики о движущихся мимо крошечных частицах.
Ученые MPL за последние два десятилетия разработали специальный метод микроскопии, известный как микроскопия интерферометрического рассеяния (iSCAT). Этот метод чрезвычайно чувствителен при обнаружении наночастиц. Применив iSCAT к проблеме диффузии наночастиц, группа MPL поняла, что они могут превзойти существующие инструменты на рынке. Новая технология имеет особое преимущество в расшифровке смесей наночастиц разного размера и из разных материалов.
Применения нового метода многообразны. Особенно захватывающая область применения касается наноразмерных носителей, которые выделяются из клеток, так называемых внеклеточных везикул. Они сделаны из липидной оболочки, очень похожей на нано мыльный пузырь. Но оболочка и внутренняя жидкость также содержат белки, которые говорят нам о происхождении пузырьков, т. е. из какого органа или клеточного отростка. Когда количество белка и/или размер везикул отклоняются от нормального диапазона, возможно, человек болен. Поэтому очень важно найти способы охарактеризовать внеклеточные везикулы.
Исследователи из MPL и MPZPM в настоящее время работают над созданием настольной системы, которая позволит ученым всего мира воспользоваться преимуществами iNTA.
