Durchbruch bei der Größenbestimmung von Nanopartikeln mit flüssigkeitsgefüllten Röhren

Die Funktionalität von Nanopartikeln in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Verabreichung von Arzneimitteln und der Nano-Optik, wird häufig durch ihre Masse und Größe bestimmt. Die gleichzeitige Messung dieser Eigenschaften für ein und dasselbe Nanopartikel war bisher ebenfalls eine Herausforderung.

Jetzt haben Wissenschaftler der University of Melbourne und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entdeckt, dass diese Messung möglich ist, indem sie die Nanopartikel in ihrer ursprünglichen Lösung durch ein kostengünstiges und einfaches mechanisches Rohr leiten.

In einem in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher, wie sie diese Entdeckung mithilfe bestehender Instrumente und neuer mathematischer Verfahren gemacht haben.

Einfache Massenwaagen funktionieren, indem sie die Frequenz eines mechanischen Resonators verfolgen. Aber können diese Waagen auch zur Größenmessung verwendet werden? Um dieser Frage nachzugehen, untersuchte das Team, wie sich Nanopartikel bewegen, wenn sie sich in einem mechanischen, mit Flüssigkeit gefüllten Rohr befinden, das vibriert.

Dr. Jesse F. Collis, Mitautor und Forschungsbeauftragter der Universität Melbourne, sagte: "Während sich frühere Anwendungen auf die Auf- und Abwärtsbewegung von Nanopartikeln relativ zur umgebenden Flüssigkeit konzentrierten, fragten wir uns nach dem Effekt der Rotationsbewegung."

Georgios Katsikis, Postdoktorand am MIT und Mitautor der Studie, machte die entscheidende experimentelle Beobachtung, dass sich die Schwingungen des Rohrs auch dann ändern können, wenn das Rohr nicht auf und ab schwingt.

"Das hat mich überrascht. Alle hatten gedacht, dass keine Auf- und Abwärtsbewegung kein Signal bedeutet. Wir wollten verstehen, was hinter diesem Signal steckt."

Bisher dachten die Wissenschaftler, wenn man ein Nanopartikel in einem Rohr schweben lässt und es schüttelt, würde die Reaktion proportional zur Masse des Teilchens sein. Die neue Studie " Inertial and viscous flywheel sensing of nanoparticles" (Trägheits- und viskoses Schwungradsensorik von Nanopartikeln) zeigt jedoch, dass es zusätzlich zu dieser bekannten Reaktion eine zweite Reaktion gibt, die proportional zur Größe des Partikels ist.

"Im Grunde schafft das Nanopartikel ein Loch in der Flüssigkeit, das den Flüssigkeitsstrom verändert", so Dr. Collis. "Dieses Phänomen ermöglicht es uns, neue mathematische Verfahren zu entwickeln, um die Schwingung des Rohrs mit dem Loch und somit mit der Partikelgröße zusätzlich zu seiner Masse zu verknüpfen.

Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Biotechnologie, wo das Wissen über die Partikelgröße die bestehenden Anwendungen der Masse ergänzen kann. Bei der Entwicklung von Impfstoffen können Virenvektoren gewogen werden, um zu prüfen, ob die DNA erfolgreich im Virus verpackt ist. Die Größe kann Aufschluss darüber geben, ob das Virus Klumpen oder Aggregate bildet, was die Wirksamkeit der Behandlung verringert.