Des scientifiques espagnols de l'Université de Barcelone ont trouvé un moyen d'identifier efficacement des objets et des virus à l'échelle nanométrique qui pourraient offrir une percée pour le diagnostic biomédical, protection de l'environnement et nano-électronique

Les scientifiques ont fait des progrès incroyables au cours des deux dernières décennies en voyant et en manipulant des matériaux à l'échelle nanométrique. Des microscopes de nouvelle génération permettent aux chercheurs d'explorer la morphologie d'objets nanométriques, comme les nanoparticules, molécules et atomes isolés, dans leur milieu naturel.

Malgré les avancées technologiques, cependant, il y a encore des obstacles majeurs à surmonter pour mesurer la mécanique, chimique, propriétés électriques et thermiques qui rendent chaque objet unique. C'est crucial, car ce n'est qu'en comprenant ces propriétés que l'on peut distinguer et surveiller des nano-objets de formes similaires mais d'espèces chimiques différentes et, lorsqu'il s'agit de complexes biologiques, étudiez leur fonctionnement et découvrez les rôles cruciaux qu'ils jouent dans le corps.

Les scientifiques travaillant à l'échelle nanométrique ont longtemps dû s'appuyer sur l'étiquetage chimique - incorporant une substance visible, comme un colorant fluorescent, dans l'objet cible - pour détecter sa présence et sa distribution physique. Mais le marquage des molécules peut donner des résultats trompeurs sur leurs propriétés. Pour cette raison, un besoin pressant en science et biologie des matériaux est d'identifier la composition des nano-objets in situ – où ils manifestent leurs fonctions – sans recourir à l'étiquetage.

Maintenant, des scientifiques de l'Université de Barcelone (UB) et de l'Institut de bio-ingénierie de Catalogne (IBEC), en collaboration avec le Centro National de Biotecnologia (CNB-CSIC) à Madrid, ont mis au point une nouvelle technique utilisant un microscope à force électrostatique (EFM), un type de microscope à force atomique, pour identifier sans ambiguïté les nano-objets sans besoin d'étiquettes.

En microscopie à force atomique, une pointe de taille nanométrique à l'extrémité d'un micro-levier est traînée sur un objet à l'échelle nanométrique. Cela sent sa forme, tout comme une personne déplace ses doigts sur le braille pour lire. Le mouvement du levier est contrôlé électroniquement pour reconstruire l'image dans un ordinateur. « Cependant, cette image reste limitée à la structure de surface, ce qui ne sert pas à grand-chose si notre objet cible se trouve parmi d'autres de forme similaire et nous ne savons pas exactement où, » explique Laura Fumagalli, auteur principal de l'étude publiée dans Matériaux naturels hier. « Dans cette situation, les humains utiliseraient un de leurs autres sens, comme l'odeur ou le goût, pour reconnaître ce qu'est exactement une substance - nous avons donc utilisé une approche similaire.

Tous les objets présentent une « constante diélectrique » caractéristique, ou permittivité, qui donne une indication de la façon dont le matériau dont ils sont faits réagit à un champ électrique appliqué. En utilisant EFM, les chercheurs ont appliqué le champ électrique aux nano-objets à l'aide de la nano-pointe, et senti le petit mouvement du levier induit par les réponses diélectriques des objets.

« Quand nous avons quantifié précisément leurs constantes diélectriques, nous avons ensuite pu les utiliser comme « empreintes digitales » pour discriminer des objets de forme identique mais de composition différente, qu'il serait autrement impossible de reconnaître sans étiquetage, », explique Fumagalli. « Auparavant, L'EFM n'avait pu faire la distinction entre les nano-objets métalliques et non métalliques que dans des expériences en noir et blanc. Maintenant, nous avons reconnu quantitativement ceux faits de matériaux très similaires et avec de faibles constantes diélectriques, comme c'est le cas avec de nombreux complexes biologiques. » Les principaux développements réalisés par les chercheurs pour y parvenir ont été d'augmenter la résolution électrique du microscope de près de deux ordres de grandeur, ils ont donc pu détecter des forces ultra-faibles. Ils ont également utilisé des nano-pointes géométriquement stables, ainsi qu'une méthode précise de modélisation de leurs résultats qui prend en compte la physique d'un système et tous ses artefacts géométriques.

« Notre méthode, un moyen non invasif de déterminer l'état interne des objets et de les corréler avec leurs fonctions sans découpage ni étiquetage, sera un outil précieux pour divers domaines de la recherche scientifique, " dit Gabriel Gomila, co-auteur de l'étude et chef de groupe à l'IBEC. « Il est particulièrement important en nanomédecine pour le diagnostic biomédical, ouvrant la porte à la détection quantitative sans marqueur de macromolécules biologiques telles que les virus sur la base de leurs propriétés diélectriques. De la même manière, il peut être appliqué pour détecter des nanoparticules pour la surveillance et la protection de l'environnement.

Les chercheurs ont appliqué leur technique à d'importants complexes biologiques, tels que les virus. En découvrant pour la première fois les propriétés diélectriques de tels nano-objets, qui sont restés jusqu'à présent inaccessibles, ils peuvent être en mesure de découvrir des aspects importants de la fonctionnalité d'un virus. Avec leur technique, ils distinguaient les virus vides des virus contenant de l'ADN, par exemple, qui sont ceux qui peuvent insérer leur matériel génétique dans l'ADN d'une cellule hôte.

« Ces résultats constituent également une percée dans l'étude fondamentale des diélectriques à l'échelle nanométrique, quels sont les éléments constitutifs qui déterminent les performances de la nouvelle génération de dispositifs nano-électroniques aujourd'hui, " ajoute Fumagalli, qui est également maître de conférences au Département d'électronique de l'Université de Barcelone, tout comme Gomila. « Notre nouvelle technique promet de faire la lumière sur les questions concernant les propriétés diélectriques des nanocomposites et des nanodispositifs hybrides nouvellement développés, et peut nous dire à quelle petite échelle un objet diélectrique peut conserver ses propriétés - en d'autres termes, à quel point nous pouvons aller.