Дактилоскопия для наночастиц

За последние два десятилетия ученые научились не только хорошо различать объекты, размер которых исчисляется нанометрами, но и манипулировать ими. Современные поколения микроскопов позволяют исследователям изучать всевозможные наночастицы, одиночные молекулы и атомы в их естественной среде.

Однако, несмотря на существенные достижения в этой области, все еще остаются некоторые значительные проблемы, касающиеся измерения механических, химических, электрических и температурных параметров, которые присущи конкретным нанообъектам. Только получив практическую возможность определять эти параметры, мы смогли бы выделять и наблюдать за наночастицами, имеющими одинаковую форму, но разную химическую этимологию, а в случае с биологическими субъектами – изучать функции таких наночастиц и их роли в жизнедеятельности организма.

В течение долгого времени ученые, работающие с наноструктурами, использовали химические способы (как правило, флуоресцентные вещества), чтобы «помечать» объект исследования и в дальнейшем отслеживать его перемещение или поведение. При этом молекулы, задействованные в таком процессе, мешают установить точные свойства рассматриваемых нанообъектов.  По этой причине биологи и физики остро нуждаются в новой методике взаимодействия со сверхмалыми частицами, не требующей дополнительного вмешательства в структуру последних.

И вот недавно исследователи из Университета Барселоны (Universitat de Barcelona) и Института Биоинженерии в Каталонии (The Institute for Bioengineering of Catalonia, IBEC) в сотрудничестве с Национальным Центром Биотехнологий в Мадриде (Centro National de Biotecnologia, CNB-CSIC) представили усовершенствованную технологию, которая делает возможной точную идентификацию наночастиц за счет применения особого типа атомно-силовых микроскопов, называемого электростатическими силовыми микроскопами (EFM).

Суть атомно-силовой микроскопии заключается в перемещении микро-зонда, состоящего из кантилевера и сканирующей иглы, вдоль поверхности нанообъекта. Таким образом определяется его форма. Данные, получаемые от зонда, обрабатываются компьютером, который выстраивает конечное изображение исследуемого объекта.  «К сожалению, это изображение показывает только структуру поверхности образца, что вряд ли можно признать полезным, особенно если искомый объект находится среди множества себе подобных и мы точно не можем сказать где именно», - разъясняет Лаура Фумагалли (Laura Fumagalli), главный автор исследования, которые было опубликовано 8 июля в издании Nature Materials. “В таких случаях люди воспользовались бы одной из своих специальных способностей, к примеру, обонянием или чувством вкуса, чтобы выяснить, с каким конкретно веществом они имеют дело. Мы решили попробовать похожий подход».

Все объекты имеют характеристику, известную как «диэлектрическая постоянная», или проницаемость, которая указывает, как материалы, из которых эти объекты состоят, реагируют на внешнее электрическое поле. Используя EFM, ученые воздействовали электрическим полем на нанообъекты через сканирующую иглу и регистрировали очень слабые смещения кантилевера, на котором и размещена сама игла, вызываемые диэлетрической реакцией этих нанообъектов.

«Теперь, после того как мы установили диэлектрические параметры объектов, мы можем использовать эти идентификационные данные в качестве  этаких «отпечатков пальцев», помогающих нам различать нанообъекты одинаковой формы в зависимости от их строения без необходимости прибегать к химической пометке», - продолжает Лаура. «Ранее EFM был способен только отличать металлические наночастицы от неметаллических. В ходе же нашего исследования мы определили свойства очень похожих по своему составу нанообъектов с низкой диэлетрической проницаемостью, выделенных из биологических организмов.»  Для того чтобы успешно детектировать сверхслабые электрические силы, исследователям потребовалось увеличить электрическое «разрешение» микроскопа на два порядка, разместить в микроскопе сохраняющие высокую геометрическую стабильность наноиглы, а также разработать сверхточный метод моделирования и интерпретации результатов, который учитывает физические параметры самой системы и ее геометрические особенности.

«Наш метод, позволяющий обходиться без вмешательства в структуру нанообъектов при исследовании их внутренних свойств и состояний, а также выявляющий связь этих свойств с функционированием нанообъектов, станет незаменимым инструментом в самых разных областях научных исследований», - добавляет Габриель Гомила (Gabriel Gomila), соавтор работы, возглавляющий группу ученых в IBEC. «Он окажется особенно важным для наномедицины в сфере биомедицинской диагностике, поскольку откроет доступ к безошибочному распознаванию биологических макро-молекул.  К тому же, наш метод заметно облегчит изучение наночастиц в исследованиях окружающей среды и будет способствовать получению новых способов защиты от самого опасного типа загрязнителей – наночастиц»

Избражения многослойной углеродной нанотрубки и образца графена, полученные методом электростатической силовой микроскопии 

Исследователи применили свою технологию к изучению микроскопических организмов, в частности, вирусов. Выяснив их диэлектрические характеристики, остававшиеся до настоящего момента неизвестными, они смогут окончательно разобраться в важных аспектах жизнедеятельности вредоносных микроорганизмов. Например, благодаря новой методике удалось быстро отделить вирусы, содержащие собственную ДНК, участки которой могут быть внедрены в ДНК хозяина, от простых вирусов.

«Эти результаты также являются прорывом в фундаментальных исследованиях диэлектрических материалов, лежащих в основе нового поколения наноэлектронных устройств»,  - поясняет Лаура Фумагалли, которая, также как и Габриель Гомила, помимо участия в проекте читает лекции на факультете электронике Университета Барселоны. «Наша технология может пролить свет на диэлектрические параметры недавно изобретенных нанокомпозитов и гибридных наноустройств  и ответить на вопрос, каков же минимальный размер диэлектрика, при котором он способен сохранять необходимые свойства – иными словами, насколько далеко в плане уменьшения размеров электронных компонентов мы можем зайти».