Nieuwe methode visualiseert liganden op gouden nanodeeltjes in vloeistof

De Universiteit Antwerpen en CIC biomaGUNE hebben een veelbelovende methode bedacht om de rol van oppervlaktemoleculen bij de vorming van nanodeeltjes te begrijpen. Het baanbrekende onderzoek, gepubliceerd in Natuurchemiebiedt een geavanceerd karakteriseringsinstrument voor het ontwerp van nanomaterialen.

Gouden nanodeeltjes zijn al tientallen jaren het onderwerp van intensief onderzoek vanwege hun interessante toepassingen op gebieden als katalyse en geneeskunde. “Oppervlakliganden” zijn organische moleculen die doorgaans aanwezig zijn op het oppervlak van gouden nanodeeltjes. Tijdens de synthese spelen deze oppervlakteliganden een belangrijke rol bij het controleren van de grootte en vorm van de nanodeeltjes.

Het CIC biomaGUNE-team onder leiding van Ikerbasque Research Professor Luis Liz-Marzán heeft decennialang de groeimechanismen en eigenschappen van deze nanodeeltjes in detail bestudeerd.

Ondanks talrijke ontwikkelingen die het belang van oppervlakteliganden hebben erkend, blijven er veel vragen bestaan ​​over hun exacte gedrag tijdens en na de groei. Directe observatie van oppervlakteliganden en hun grensvlak met gouden nanodeeltjes is daarom al lang een doel voor veel wetenschappers op dit gebied.

Directe visualisatie van liganden op gouden nanodeeltjes in een vloeibare omgeving

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is de techniek die het meest wordt gebruikt om nanodeeltjes te onderzoeken. De studie van oppervlakteliganden door middel van TEM brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee; de reden is dat de liganden gevoelig zijn voor de elektronenbundel, hun contrast beperkt is en hun structuur in vacuüm verschilt van hun oorspronkelijke staat in oplossing.

Om al deze moeilijkheden te overwinnen heeft de samenwerking tussen het team van Liz-Marzán bij CIC biomaGUNE en het team onder leiding van professor Sara Bals van de Universiteit Antwerpen (België) het mogelijk gemaakt een nieuwe methode te ontwikkelen om oppervlakteliganden te karakteriseren door middel van TEM in een vloeibare omgeving.

Het team heeft gouden nanostaafjes ingekapseld omringd door liganden die routinematig worden gebruikt bij de synthese tussen twee lagen grafeen, waardoor een kleine vloeibare cel ontstond. Dankzij deze opstelling konden ze profiteren van de uitzonderlijke eigenschappen van grafeen als monsterondersteuning voor TEM.

Grafeen verbetert niet alleen de TEM-beeldvorming, het vermindert ook de schade aan elektronenstralen dankzij de uitstekende thermische en elektrische eigenschappen. Op die manier kon het onderzoeksteam de schil van het ligand visualiseren en de samenstelling ervan bepalen.

De resultaten van het onderzoek hebben nieuwe inzichten opgeleverd in de structuur van de oppervlaktelaag gevormd door de liganden. In het bijzonder daagt de real-time observatie van een micel (een kleine cluster van liganden) die beweegt en botst met een aangrenzende gouden nanostaafje het model van een mogelijke statische en uniforme ligandlaag uit.

De in het onderzoek voorgestelde methode biedt meerdere mogelijkheden om de rol van oppervlaktemoleculen bij de vorming van complexere nanodeeltjes te begrijpen, zoals chirale nanodeeltjes, waarvan het groeimechanisme grotendeels onontgonnen blijft (chirale deeltjes kunnen bij voorkeur licht van een bepaalde polarisatie absorberen, met respect aan het nanodeeltje met tegengestelde chiraliteit).

Bovendien is deze methode veelbelovend voor het bestuderen van de zogenaamde ‘eiwitcorona’ die zich vormt rond nanodeeltjes verspreid in biovloeistoffen, wat cruciaal zal zijn bij het ontwerpen van nieuwe diagnostische en therapeutische strategieën voor de behandeling van ziekten.

Dit onderzoek bevordert niet alleen het begrip van de interacties tussen gouden nanodeeltjes en liganden, maar biedt ook een geavanceerd karakteriseringsinstrument voor het ontwerp van nanomaterialen en hun toepassingen in verschillende domeinen van de nanotechnologie, zoals nanogeneeskunde, katalyse of detectie.