NanoTweezer – Nanopartikel-Einzelanalyse mit Streulicht

NanoTweezer
Abb. 1: Messsystem NanoTweezer mit Mikroskop

Nanopartikel sind aufgrund ihrer geringen Größe mit Lichtmikroskopen nicht zu sehen. Daher ist eigentlich immer ein größerer technischer Aufwand zur Sichtbarmachung einzelner Nanopartikel nötig.

Meist werden Rasterelektronenmikroskope oder Transmissionselektronenmikroskope eingesetzt, oder es werden bei einer Analyse in Flüssigkeit der Einfachheit halber die Eigenschaften vieler Nanopartikel gemittelt. Ein neuer Ansatz, verwirklicht im NanoTweezer der Firma Optofluidics, macht es jetzt möglich, einzelne Partikel in der Größe von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern in Flüssigkeit im Mikroskop via CCD-Kamera sichtbar und daher der Analyse zugänglich zu machen.

Eine optische Faser (Waveguide) leitet Laserlicht durch eine Durchflusszelle. Partikel, die sich in der Nähe dieses Lichtleiters befinden, werden durch den Einfluss des Lichts im evaneszenten Feld angezogen und am  optischen Leiter gefangen. Dabei können sie in Richtung des Laserlichts an dem Lichtleiter entlang wandern. Die Intensität des bei diesem Vorgang von den Nanopartikeln gestreuten Lichts ist abhängig von der Größe und (in geringerem Umfang) vom Brechungsindex des untersuchten Partikels.

So können unterschiedlichste Nanopartikel in ihrer Form, dem Material und der Größe charakterisiert werden. Darüber hinaus können an den so gebundenen Teilchen spektroskopische Untersuchungen gemacht und die Qualität von Beschichtungen oder z. B. Proteinaggregation beurteilt werden.

In Abbildung 1 ist das Messsystem NanoTweezer von Optofluidics abgebildet. Zu sehen ist das System zusammen mit einem Mikroskop, das als Messplattform dient. In Abbildung 2 ist das Funktionsprinzip dargestellt: freie, nicht gefangene Partikel erzeugen kein Streulicht (Abb. 2 links), während sie an den Lichtleiter gefangen ein Signal erzeugen (Abb. 2 rechts). Die Intensität des Streulichts hängt von der Qualität des Partikels ab.

NanoTweezer
Abb. 2: Freie, nicht gefangene Partikel erzeugen kein Streulicht (linke Abbildung), während sie an den Lichtleiter gebunden ein Signal erzeugen (rechte Abbildung).
Die Intensität des Streulichts hängt von der Qualität des Partikels ab.
Optofluidics
Abb.: 3: Ein unsymmetrisch geformtes Aggregat von Bovinen Serumalbumen-Molekülen (BSA-Molekülen) wandert entlang eines optischen Leiters.
Das Muster des dabei gebrochenen Lichts ist von Bild zu Bild deutlich unterschiedlich (obere Bildreihe), während ein kugelförmiges Polystyrol-Teilchen bei der gleichen Wanderung entlang des Lichtleiters sehr gleichmäßige Muster erzeugt (untere Bildreihe).
Nanotweezer
Abb. 4: Ergebnisse einer typischen BSA-Messung. Die angegebenen Zahlen beschreiben die Größe der BSA-Teilchen in nm.

Anwendungsbeispiel: Größenbestimmung einzelner Protein-Aggregate in Flüssigkeit

Protein-Aggregate und andere nanoskopische Partikel in therapeutischen Formulierungen werden hauptsächlich mit deren immunogener Aktivität in Verbindung gebracht; allerdings können bisher existierende Technologien keine zuverlässigen Informationen über die Teilchen-Zusammensetzung oder die Größe dieser Teilchen in situ generieren.

Im beschriebenen Beispiel wurde anhand von Polystyrol (PS)-Standards ein mathematisches Modell zur Größenbestimmung von Nanopartikeln erzeugt. Aggregate von Bovinem Serumalbumin (BSA) wurden gemessen und es konnte gezeigt werden, dass sich das Verhalten und die Art des gebrochenen Lichts bei BSA-Aggregaten deutlich von denen von PS-Standard- Nanopartikel und anderen festen Partikeln unterscheidet.

Sphärische feste Partikel aus z. B. PS, Siliziumdioxid, PMMA, etc. wandern entlang des Lichtleiters und erzeugen immer runde, sich selbst ähnliche, Lichtmuster. Obgleich die meisten BSA-Partikel ortsfest waren, zeigte sich ein sehr variables Muster der Lichtstreuung mit starken Intensitätsschwankungen wenn sie entlang des Lichtleiters „purzelten“. Abbildung 3 zeigt ein den Lichtleiter entlang wanderndes BSA-Teilchen im Vergleich mit einem kugelförmigen PS-Teilchen. Ergebnisse einer typischen BSA-Messung werden in Abbildung 4 gezeigt. Die angegebenen Zahlen beschreiben die Größe der Teilchen in Nanometern.

Ergebnis

Mit dem NanoTweezer kann man die Größe von Proteinaggregaten bestimmen und diese anhand ihrer Form und ihres Lichtstreuverhaltens von anderen in der Lösung befindlichen Nanopartikeln unterscheiden.

Die hohe Lichtintensität in Verbindung mit dem geringen Background und der zur Verfügung stehenden langen Messzeit ermöglichen darüber hinaus Spektroskopie an einzelnen Partikeln.

So kann man mehr Details über die chemische Zusammensetzung der untersuchten Teilchen erfahren.


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