Улучшенная характеристика кластеров наночастиц для исследований в области экобезопасности и биосенсоров

Способность наночастиц слипаться в растворе — "агломерация" — представляет большой интерес, поскольку размер кластеров играет важную роль в поведении материалов. Известно, что на токсичность, устойчивость наноматериалов в окружающей среде, их эффективность в качестве биосенсоров, а также на точность экспериментов по измерению этих факторов влияют агломерация и размер кластеров. Недавняя работа в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) предлагает способ точного измерения как распределения размеров кластеров в образце, так и характеристического поглощения света для каждого размера. Последнее важно для применения наночастиц в биосенсорах.

Хорошим примером потенциального применения этой работы, по словам биоинженера NIST Джастина Цука, является разработка наночастичных биосенсоров для сверхчувствительных тестов на беременность. Золотые наночастицы можно покрыть антителами к гормону, вырабатываемому эмбрионом вскоре после зачатия. Несколько золотых наночастиц могут связываться с каждой молекулой гормона, образуя кластеры, цвет которых отличается от цвета несгруппированных наночастиц. Однако для этого измерения оптимальны только кластеры определенного размера, поэтому знание того, как поглощение света меняется с размером кластера, облегчает проектирование биосенсоров для получения кластеров нужного размера.

Команда NIST сначала приготовила образцы золотых наночастиц — наноматериала, широко используемого в биологии — в стандартном растворе для культивирования клеток, используя свою ранее разработанную методику создания образцов с контролируемым распределением по размерам. Частицам позволяли агломерировать в постепенно растущие кластеры, и процесс слипания "выключали" через различные промежутки времени путем добавления стабилизирующего агента, предотвращающего дальнейшую агломерацию.

Затем они использовали метод аналитического ультрацентрифугирования (AUC), чтобы одновременно разделить кластеры по размеру и измерить их поглощение света. Центрифуга заставляет кластеры наночастиц разделяться по размеру: более мелкие и легкие кластеры движутся медленнее, чем крупные. Пока это происходит, контейнеры с образцами многократно сканируют светом, и регистрируется количество света, прошедшего через образец для каждого цвета или частоты. Чем крупнее кластер, тем больше света поглощается на более низких частотах. Измерение поглощения по частоте в контейнерах позволяет исследователям как наблюдать за постепенным разделением кластеров по размеру, так и соотносить поглощаемые частоты с конкретными размерами кластеров.

Большинство предыдущих измерений спектров поглощения растворов наночастиц могли определить только усредненные спектры — поглощение всех кластеров разного размера, смешанных вместе. AUC позволяет измерить количество и распределение каждого кластера наночастиц, не искажая картину другими компонентами сложных биологических смесей, такими как белки. Ранее эту методику использовали только для подобных измерений одиночных наночастиц в растворе. Исследователи NIST первыми показали, что процедура также работает для кластеров наночастиц.