Eine neue Methode zur Erforschung der Nanowelt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin (MPZPM) in Erlangen präsentieren einen großen Fortschritt bei der Charakterisierung von Nanopartikeln. Sie nutzten ein spezielles Mikroskopieverfahren, das auf Interferometrie basiert, um bestehende Instrumente zu übertreffen. Eine mögliche Anwendung dieser Technik kann die Erkennung von Krankheiten sein.

Nanopartikel sind überall. Sie befinden sich in unserem Körper als Proteinaggregate, Lipidbläschen oder Viren. Sie befinden sich in Form von Verunreinigungen in unserem Trinkwasser. Sie befinden sich als Schadstoffe in der Luft, die wir atmen. Gleichzeitig basieren viele Medikamente auf der Verabreichung von Nanopartikeln, einschließlich der Impfstoffe, die wir kürzlich erhalten haben. Passend zu den Pandemien basieren auch Schnelltests zum Nachweis von SARS-Cov-2 auf Nanopartikeln. Die rote Linie, die wir Tag für Tag überwachen, enthält unzählige Goldnanopartikel, die mit Antikörpern gegen Proteine ​​beschichtet sind, die eine Infektion melden.

Technisch spricht man von einem Nanopartikel, wenn seine Größe (Durchmesser) kleiner als ein Mikrometer ist. Objekte in der Größenordnung von einem Mikrometer können immer noch in einem normalen Mikroskop gemessen werden, aber Partikel, die viel kleiner sind, beispielsweise kleiner als 0,2 Mikrometer, werden außerordentlich schwierig zu messen oder zu charakterisieren. Interessanterweise ist dies auch der Größenbereich von Viren, der bis zu 0,02 Mikrometer klein werden kann.

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler und Ingenieure eine Reihe von Instrumenten zur Charakterisierung von Nanopartikeln entwickelt. Idealerweise will man ihre Konzentration messen, ihre Größe und Größenverteilung beurteilen und ihre Substanz bestimmen. Ein High-End-Beispiel ist ein Elektronenmikroskop. Aber diese Technologie hat viele Mängel. Es ist sehr sperrig und teuer, und die Studien dauern zu lange, weil die Proben sorgfältig vorbereitet und ins Vakuum gebracht werden müssen. Und selbst dann bleibt es schwierig, die Substanz der Teilchen zu bestimmen, die man im Elektronenmikroskop sieht.

Ein schnelles, zuverlässiges, leichtes und tragbares Gerät, das in der Arztpraxis oder im Außendienst eingesetzt werden kann, hätte eine enorme Wirkung. Einige optische Instrumente auf dem Markt bieten solche Lösungen an, aber ihre Auflösung und Präzision waren unzureichend, um kleinere Nanopartikel zu untersuchen, z. B. viel kleiner als 0,1 Mikrometer (oder anders gesagt 100 nm).

Eine Gruppe von Forschern des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin hat jetzt ein neues Gerät erfunden, das einen großen Sprung in der Charakterisierung von Nanopartikeln bringt. Die Methode heißt iNTA, kurz für Interferometric Nanoparticle Tracking Analysis. Ihre Ergebnisse werden in der Mai-Ausgabe von berichtet Naturmethoden.

Das Verfahren basiert auf der interferometrischen Detektion des Streulichts einzelner Nanopartikel, die in einer Flüssigkeit umherwandern. In einem solchen Medium bewegt Wärmeenergie fortwährend Teilchen in willkürliche Richtungen. Es stellt sich heraus, dass der Raum, den ein Teilchen in einer bestimmten Zeit erkundet, mit seiner Größe korreliert. Mit anderen Worten, kleine Partikel bewegen sich „schneller“ und bedecken ein größeres Volumen als große Partikel. Die Gleichung, die dieses Phänomen beschreibt – die Stokes-Einstein-Beziehung – stammt aus dem Anfang des letzten Jahrhunderts und hat seitdem in vielen Anwendungen Verwendung gefunden. Kurz gesagt, wenn man einem Nanopartikel folgen und Statistiken über seine nervöse Flugbahn sammeln könnte, könnte man seine Größe ableiten. Die Herausforderung besteht also darin, sehr schnelle Filme von sich bewegenden winzigen Partikeln aufzunehmen.

Wissenschaftler des MPL haben in den vergangenen zwei Jahrzehnten eine spezielle Mikroskopiemethode entwickelt, die sogenannte Interferometrische Streuungsmikroskopie (iSCAT). Diese Technik ist beim Nachweis von Nanopartikeln äußerst empfindlich. Durch die Anwendung von iSCAT auf das Problem der Diffusion von Nanopartikeln erkannte die MPL-Gruppe, dass sie die bestehenden Instrumente auf dem Markt übertreffen können. Die neue Technologie hat einen besonderen Vorteil bei der Entschlüsselung von Mischungen von Nanopartikeln mit unterschiedlichen Größen und unterschiedlichen Materialien.

Die Anwendungen der neuen Methode sind vielfältig. Ein besonders spannender Anwendungsbereich betrifft Vesikel in Nanogröße, die von Zellen abgesondert werden, die sogenannten extrazellulären Vesikel. Diese bestehen aus einer Lipidhülle, ähnlich einer Nano-Seifenblase. Aber auch die Hülle und die innere Flüssigkeit enthalten Proteine, die Aufschluss über die Herkunft der Vesikel geben, also aus welchem ​​Organ oder Zellfortsatz. Wenn die Proteinmenge und/oder die Vesikelgröße vom Normalbereich abweichen, könnte es sein, dass die Person krank ist. Daher ist es sehr wichtig, Wege zu finden, um extrazelluläre Vesikel zu charakterisieren.

Die Forscher am MPL und MPZPM arbeiten nun an der Entwicklung eines Benchtop-Systems, mit dem Wissenschaftler weltweit von den Vorteilen von iNTA profitieren können.