Optimization of electron tomography for the three dimensional study of nanoparticle assemblies
VAN JUWELEN TOT KANKERBESTRIJDING
GOUD NANODEELTJES DOOR DE OGEN VAN EEN ELECTRONENMICROSCOOP
Op macroscopische schaal wordt goud vaak gebruikt bij het creëren van juwelen. Echter, goud nanodeeltjes hebben een veelvoud aan toepassingen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld in de medische wereld gebruikt worden in de strijd tegen kanker. In de toekomst zullen de mogelijkheden van het gebruik van deze deeltjes toenemen. Hiervoor moet onder andere de structuur van de deeltjes grondig geanalyseerd worden. Moderne elektronenmicroscopie is daarbij van cruciaal belang. Het EMAT (Electron Microscopy for Materials Science) laboratorium van de Universiteit Antwerpen beschikt over 6 transmissie-elektronenmicroscopen, waaronder één van de krachtigste ter wereld (zie figuur).
De studie van zeer kleine goud deeltjes, met afmetingen in het nanometergebied, is interessant omdat deze deeltjes specifieke eigenschappen hebben, vaak afhankelijk van de morfologie. Deze goud deeltjes kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden als katalysator en bepaalde reacties versnellen. Ze worden bovendien gebruikt in verschillende toepassingen in de nanoelektrica en zijn veel belovend in de strijd tegen kanker. Deeltjes kunnen specifieke kleuren absorberen afhankelijk van hun grootte en morfologie. Wanneer de goud deeltjes via een antilichaam aan een kankercel hechten, kunnen ze vervolgens geactiveerd worden aan de hand van lichtabsorptie om de tumor te bestrijden.
De goud deeltjes kunnen ook georganiseerd worden in een 3-dimensionale ordening, we spreken dan van een ‘nano-assembly’. Om de goud deeltjes te organiseren in een welbepaalde structuur, worden ze ingebed in een polymeermatrix. Deze polymeermatrix moet de stabiliteit van de assemblies verzekeren. Door de grootte van de goud deeltjes en/of het moleculair gewicht van de polymeer te variëren, kunnen materialen met specifieke en unieke eigenschappen ontwikkeld worden. Wanneer de verschillende goud deeltjes geordend worden tot een capsule, kan de nano- assembly bijvoorbeeld een medicijn omhullen. Deze kan opnieuw door middel van lichtabsorptie geactiveerd worden. Na activatie zal het medicijn vrijgeven worden en inwerken op een welbepaalde plaats in het lichaam. Op deze manier kan een assembly van goud deeltjes worden ingezet in medicijn transport en zo bijdrage leveren tot de nieuwe ontwikkelingen in de medische wereld. Bij al deze ontwikkelingen is de kennis van de 3-dimensionale vorm van groot belang.
Om zowel de 3-dimensionale vorm van één goud deeltje als die van een assembly van goud deeltjes te onderzoeken, wordt gebruik gemaakt van elektronentomografie. Dit is een techniek om een 3-dimensionale reconstructie te maken uitgaande van de opname van 2-dimensionale beelden. De beelden worden opgenomen met een elektronenmicroscoop. Omdat we zeer kleine deeltjes onderzoeken, kan een lichtmicroscoop niet gebruikt worden. De kortere golflengte van versnelde elektronen, die gebruikt worden in een elektronenmicroscoop, zorgt ervoor dat kleinere details kunnen waargenomen worden. Na de beeldopname, wordt aan de hand van een wiskundig algoritme de reeks 2-dimensionale beelden omgezet in een 3-dimensionale reconstructie van het originele object. Het principe van deze techniek is vergelijkbaar met het concept van een hersenscanner.
De studie van assemblies van goud deeltjes is erg complex en uitdagend. Als assemblies op een speciale houder in de elektronenmicroscoop worden gebracht, zullen ze vaak van vorm veranderen omwille van de zachte polymeermatrix. Om dit te vermijden werd een protocol ontwikkeld en toegepast. Dit protocol bestaat uit een combinatie van zeer snelle bevriezing gevolgd door sublimatie onder hoog vacuüm condities.
Bovendien werd ook het wiskundig algoritme geoptimaliseerd. Door gebruik te maken van deze nieuwe technieken, konden de nano-assemblies bestudeerd worden in 3 dimensies. Hierdoor kan de morfologie van de assemblies grondig bestudeerd worden. Een voorbeeld wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur en bijbehorende film. Het is duidelijk dat deze haltervormige deeltjes als het ware een 3-dimensionale nanopuzzel vormen.
De ontwikkelde technieken zijn toepasbaar voor een brede variëteit aan nanomaterialen. Onderzoek naar de 3-dimensionale vorm van verschillende nano-assemblies zal (nog meer) nieuwe ontwikkelingen opleveren in onder andere de (bio)medische wereld, sensoren en energie-omzetting toepassingen.
WebRep currentVote noRatingnoWeight
