Leidse natuurkundigen detecteren bewegende nanodeeltjes
Het is niet gemakkelijk om een nanodeeltje van 5 nanometer te betrappen. Leidse natuurkundigen lukte het door van een 120 nanometer lang goudstaafje een detector te maken.
Het is een zwak signaaltje: een piepklein dalingkje in een verder nogal ruizige grafiek, dat maar een paar microseconden aaanhoudt. Dat signaaltje betekent dat dat een goudbolletje van 5 nanometer ent voorbij kwam.
'Het is een proof of principle', zegt natuurkundige Martin Baaske van het Single Molecule-lab van Michel Orrit, die er een artikel over de nieuwe meettechniek publiceerde in het vakblad ACS Nano. Nu is de jacht geopend om een manier om de techniek te gebruiken om natuurlijke nanodeeltjes te detecteren, zoals kleine eiwitten in de buurt van membranen. Baaske: 'Dat is veel moeilijker, maar we denken dat het wel kan.'
De cruciale detector is een 120 nanometer lang gouden staafje op een glazen bodem. Goud is een elektrische geleider, wat betekent dat de elektronen er vrij in kunnen bewegen, zoals klotsend water in een badkuip. De elektronengolven, zogeheten plasmonen, trillen het liefst met een frequentie die afhangt van de grootte van het gouden staafje, de plasmon-frequentie.
Plasmonfrequentie
Dit is te detecteren door een lichtbundel op het staafje te richten. Door de elektromagnetische golven gaan de elektronen aan het trillen, wat weer een elektromagnetische golf veroorzaakt vanuit het gouden staafje. Hoe dichter het invallende licht de plasmonfrequentie benadert, hoe intenser het uittredende licht.
Nu wordt deze plasmonfrequentie ook beïnvloed door nanodeeltjes in de buurt, in het nabije veld van het goudstaafje. Als dus een 5 nanometer groot gouddeeltje voorbij komt, zal de plasmonfrequentie van het goudstaafje tijdelijk even veranderen. Dit zal zich verraden in een kort, klein dal in de intensiteit van het uittredende licht.
Met deze techniek lukte het de groep om 5 nanometer grote bolletjes goud te detecteren terwijl ze door het nabije veld van het staafje passeerden. Het is mogelijk om de snelheid en de afmetingen af te leiden uit de diepte van het intensiteits-dipje.
Eiwitten detecteren
'Het moeilijke was om de signaal-ruisverhouding te vergroten', zegt Baaske. Hoewel sommige voorspellingen stelden dat dat niet gemakkelijk zou kunnen, lukte het de groep toch. Maar het detecteren van eiwitten is veel lastiger, omdat die de plasmonfrequentie lang niet zo sterk beïnvloeden als goud-bolletjes.
Concentraties van nanodeeltjes in biologische complexe omgevingen zoals de cel, zijn zeer hoog. Om de prestaties van de sensor in die omgeving te testen, voerde de groep metingen uit met een geconcentreerde oplossing van oliedruppeltjes van zo'n 8 nanometer doorsnee.
Hoewel individuele deeltjes op die manier niet onderscheiden kunnen worden, kan hun collectieve invloed wel afgeleid worden uit de variaties van de uittredende lichtbundel. 'Deze deeltjes veroorzaken correlaties in de intensiteit die er niet zouden in pure ruis', zegt Baaske. Het is alsof je duidelijk een zachte regen op het dak hoort, zonder dat je het inslaan van de afzonderlijke druppels kunt onderscheiden.
De volgende stap zou zijn om de gevoeligheid te verhogen, om echte eiwitten te detecteren, in plaats van kunstmatige oliedeeltjes. 'Dat is misschien nog moeilijker, omdat eiwitten de neiging hebebn om samen te klonteren, of om aan de glazen wand of het goudstaafje te kleven', zegt Baaske.
Uiteindelijk zou dit onderzoek kunnen leiden tot een detector van kleine eiwitten zonder chemisch label, wat heel bruikbaar zou zijn voor verschillende soorten biomoleculair onderzoek.
Martin Dieter Baaske, Peter Sebastian Neu, and Michel Orrit, Label-Free Plasmonic Detection of Untethered Nanometer-Sized Brownian Particles,
ACS Nano 2020 14 (10), 14212-14218
DOI: 10.1021/acsnano.0c07335