Wetenschappers werpen licht op de nanowereld

Nanodeeltjes zijn kleine elementen met een grootte van enkele tientallen tot honderden miljardsten van een meter. Idealiter zijn de oppervlakken van deze nanodeeltjes voorzien van moleculaire puzzelstukjes, waardoor zij kunnen koppelen aan de beoogde biomoleculen of cellen in het lichaam. Deze puzzelstukjes worden functionele plaatsen genoemd.

De nanodeeltjes vormen een breed onderzoeksgebied. Een van de toepassingen is biosensing, een technologie die de afgelopen jaren tijdens de pandemie van vitaal belang is geworden. "Een biosensor die we allemaal hebben gebruikt is de COVID-sneltest, die gebruik maakt van zeer kleine gouden nanodeeltjes die een rozeachtige streep op de sensor genereren om aan te geven dat je positief bent getest," legt Peter Zijlstra uit. Hij is coördinator van het SuperCol-consortium en leidt de onderzoeksgroep Molecular Plasmonics aan de Technische Universiteit Eindhoven.

Zijlstra past superresolutiemicroscopie toe om de deeltjes in biosensoren zoals de COVID-sneltest beter te begrijpen. Nieuwe biosensoren die gemakkelijk in gebruik zijn, zijn dringend nodig voor een breed scala aan ziekten, zoals wordt uitgelegd in onderstaande video.

Op naar een hogere resolutie

Maar het bestuderen van zulke deeltjes en de moleculen op hun oppervlak is moeilijk: licht is in principe te "grof" om zulke deeltjes met een normale lichtmicroscoop af te beelden. Zijlstra: "In plaats van een naald over een langspeelplaat te bewegen om muziek te produceren, gebruik je een hamer en vraag je je af waarom er geen geluid uit komt."

Zichtbaar licht met een bereik van UV tot infrarood kan hooguit deeltjes met een grootte van 200 nanometer - 200 miljardste meter - detecteren. Te groot om te bepalen waar bijvoorbeeld een moleculair puzzelstukje zit, laat staan om hun aantal te bepalen.

Daarom gebruikten de onderzoekers een methode waarmee ze in 2014 de Nobelprijs voor Scheikunde wonnen. Bij wat bekend staat als "superresolutiemicroscopie" worden kleine fluorescerende deeltjes, fluoroforen genaamd, gebruikt en, in het geval van nanodeeltjes, vastgehecht aan moleculen op het oppervlak.

Deze fluoroforen hebben de eigenschap statistisch te knipperen onder een microscoop. De positie van dit knipperende signaal kan veel nauwkeuriger worden gedetecteerd dan mogelijk zou zijn met conventionele optische microscopie. "Superresolutiemicroscopie is zoiets als kijken naar een gele voetbal van grote afstand, en je realiseren dat de voetbal eigenlijk groene en blauwe vlekken heeft nadat je je bril hebt opgezet," legt Zijlstra uit.

Computerkracht gebruiken om de waarheid te achterhalen

Het zo verkregen beeld van het nanodeeltje is echter maar de halve waarheid. Nanodeeltjes hebben eigenschappen die dit beeld kunnen vervormen. Een fenomeen dat resonantie heet, laat ook een deel van het nanodeeltje gloeien, en niet alleen de fluorofoor.

Om deze vervorming te begrijpen, hebben de wetenschappers de nanodeeltjes in beeld gebracht met een elektronenmicroscoop, naast de beelden van de optische microscoop die gebruik maakt van conventioneel licht. Terwijl elektronenmicroscopie de "ware" positie van het gedokte molecuul aangeeft, leiden fysische effecten in de lichtmicroscoop tot een verschuiving. Door correlatie van de beelden van de elektronen- en de optische microscoop hebben de onderzoekers nu een gedetailleerd inzicht van deze verschuivingen.

Dit inzicht maakt het vervolgens mogelijk voor deze verschuivingen te corrigeren en de elektronenmicroscoop geheel te omzeilen. Zijlstra concludeert: "SuperCol heeft nu superresolutiemicroscopiemethoden ontwikkeld die werken met alleen licht, met een resolutie die in de buurt komt van die van een elektronenmicroscoop. Hierdoor kunnen nanodeeltjes in de toekomst nauwkeuriger en uitgebreider worden bestudeerd, wat leidt tot nieuwe biomedische toepassingen en betere biosensoren."

Het SuperCol ITN-project wil colloïdale oppervlakken zowel visueel als met receptorchemie nader bekijken om de ontwikkeling van deze deeltjessystemen te bevorderen. Het project bestaat uit 15 ‘Early Stage Researchers’ (ESR's), die een onderzoeksteam vormen dat is ingebed in vooraanstaande industriële en academische R&D-laboratoria. Peter Zijlstra van de Technische Universiteit Eindhoven leidt het project, dat wordt gefinancierd door de Horizon 2020 Marie Curie financiering van de Europese Commissie.