Nanoparticules (jaune) ciblant et entrant dans les cellules cancéreuses (bleu). Crédit :NIH
Les nanoparticules - celles dont le diamètre est inférieur à un millième de la largeur d'un cheveu humain - sont de plus en plus répandues dans la haute technologie, Médicament, et biens de consommation. leurs caractéristiques, à la fois souhaitable et indésirable, dépendent essentiellement de leur taille.
Par exemple, une nanoparticule (NP) dans la circulation sanguine qui est de 50 nanomètres (nm, milliardièmes de mètre) de large peut avoir un effet limité sur les cellules qu'il rencontre ; mais une version 20 nm d'exactement le même matériau peut être toxique. Les considérations de taille sont particulièrement importantes si, comme anticipé, Les IP en viennent à jouer un rôle majeur dans le traitement du cancer. Par conséquent, des mesures précises du volume d'une particule sont essentielles.
Mais le volume mesuré à l'aide de différents outils peut varier considérablement. Par exemple, une nouvelle analyse par des scientifiques du NIST a montré que lorsque le même ensemble de NP est mesuré avec les deux méthodes de référence les plus largement utilisées, les estimations de volume calculées peuvent différer jusqu'à 160 % en raison des biais inhérents à chaque méthode. Pour remédier à cette situation, les chercheurs ont proposé et testé un nouveau schéma de mesure combiné qui peut minimiser les erreurs tout en maintenant un débit de mesure élevé.
"Pendant longtemps, même si beaucoup de gens travaillaient sur ce problème, il y a eu des réponses différentes des différentes méthodes et personne ne semblait savoir quelle méthode était correcte ou quelle est la taille correcte des nanoparticules, " dit Ravikiran Attota, qui a dirigé la recherche.
Le cœur du problème est que des hypothèses sont faites lors de la mesure du volume de NP, en particulier les NP de forme irrégulière (IS-NP). En outre, Le volume de NP n'est que rarement mesuré directement. Au lieu, la taille tridimensionnelle est généralement extrapolée. Des outils de référence largement utilisés tels que la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie à force atomique (AFM) mesurent le volume en utilisant des méthodes très différentes.
En SEM, un faisceau focalisé d'électrons est balayé à travers la particule d'en haut pour produire une image 2D de longueur et de largeur. Cette approche descendante ne peut pas déterminer la hauteur d'une particule, qui est supposée être approximativement de la même amplitude que les deux autres dimensions.
La méthode combinée pour déterminer le volume des nanoparticules consiste à mesurer à la fois la largeur et la longueur en utilisant l'imagerie SEM descendante pour obtenir une lecture de diamètre (a, b, c), mesurer la hauteur à l'aide de l'AFM (d, e) puis combiner les lectures pour calculer le volume (f). Crédit : Institut national des normes et de la technologie
Dans la méthode AFM, une sonde pointue est déplacée sur le NP pour enregistrer uniquement sa hauteur de pic, pas la largeur ou la longueur, qui sont supposés être approximativement les mêmes.
Dans tous les cas, les données sont introduites dans un algorithme qui calcule le volume qu'aurait la particule si elle était une sphère parfaite.
Les mesures d'un même lot de particules diffèrent significativement selon la méthode utilisée, et cet écart est une situation difficile notoire en nanoscience. Les chercheurs du NIST ont découvert que chaque méthode a un biais distinct car les résultats sont influencés à la fois par la position dans laquelle les NP viennent reposer sur la surface sur laquelle elles sont mesurées, et par la nature de la mesure.
A moins que les particules ne soient parfaitement sphériques, Les mesures SEM produisent généralement des valeurs plus élevées pour le diamètre des particules, et la différence entre les mesures SEM et AFM devient d'autant plus grande que la forme IS-NP s'écarte d'une sphère. Par exemple, un IS-NP en forme de pain à hamburger, c'est-à-dire beaucoup plus large que haut - paraîtra plus grand du point de vue SEM de haut en bas que du point de vue AFM uniquement en hauteur.
Afin d'obtenir l'erreur la plus faible dans les estimations de volume - les scientifiques du NIST le proposent - les mesures doivent être effectuées à l'aide des techniques SEM et AFM pour produire une forme 3D plus précise. (Voir le diagramme.) Après avoir testé l'idée dans des modèles et des simulations avec des formes générées par ordinateur, ils ont utilisé un assortiment de 54 galets d'aquarium en verre de forme irrégulière dont le volume a pu être déterminé avec précision. L'utilisation de la technique de mesure combinée pour calculer le volume a produit des valeurs qui différaient de moins de 1 % du volume réel mesuré.
Les chercheurs ont ensuite appliqué la technique à des mesures SEM et AFM réelles effectuées sur les mêmes nanoparticules d'or d'un diamètre d'environ 50 nm. Les résultats étaient en bon accord avec les simulations et les expériences sur galets, bien que limité par le fait que les mesures SEM ne peuvent pas détecter exactement les bords des nanoparticules d'or. Les scientifiques pensent qu'une technologie connexe, called transmission electron microscopy, which has more precise edge discrimination, may alleviate the problem.
"The discrepancies between measurement values coming from the different available techniques has been a long-standing headache for serious metrologists, especially as the dimensions get smaller, " says John Kramar, a Group Leader at NIST. "Using this technique will help us to produce much more accurate nanoparticle reference materials."
