Científicos españoles de la Universidad de Barcelona han encontrado una forma de identificar eficazmente objetos y virus a nanoescala que podrían ofrecer un gran avance para el diagnóstico biomédico. protección del medio ambiente y nanoelectrónica

Los científicos han logrado un progreso asombroso en las últimas dos décadas al ver y manipular materiales a nanoescala. Los microscopios de nueva generación permiten a los investigadores explorar la morfología de los objetos a nanoescala, como nanopartículas, moléculas y átomos individuales, en su entorno natural.

A pesar de los avances tecnológicos, sin embargo, todavía hay grandes obstáculos que superar en la medición de la mecánica, químico, propiedades eléctricas y térmicas que hacen que cada objeto sea único. Esto es crucial porque solo entendiendo estas propiedades podemos distinguir y monitorear nano-objetos de formas similares pero diferentes especies químicas y, cuando se trata de complejos biológicos, estudie cómo funcionan y descubra los roles cruciales que desempeñan en el cuerpo.

Los científicos que trabajan a nanoescala han tenido que depender durante mucho tiempo del etiquetado químico, que incorpora una sustancia visible, como tinte fluorescente, en el objeto de destino - para detectar su presencia y distribución física. Pero el etiquetado de moléculas puede dar resultados engañosos sobre sus propiedades. Por esta razón, Una necesidad urgente en la ciencia y la biología de los materiales es identificar la composición de los nanoobjetos in situ, donde manifiestan sus funciones, sin recurrir al etiquetado.

Ahora, científicos de la Universidad de Barcelona (UB) y del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), en colaboración con el Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC) de Madrid, han perfeccionado una nueva técnica que utiliza un microscopio de fuerza electrostática (EFM), un tipo de microscopio de fuerza atómica, para identificar de forma inequívoca los nanoobjetos sin necesidad de etiquetas.

En microscopía de fuerza atómica, una punta de tamaño nanométrico en el extremo de una micropalanca se arrastra a través de un objeto a nanoescala. Este siente su forma, tanto como una persona mueve sus dedos sobre Braille para leer. El movimiento de la palanca se monitorea electrónicamente para reconstruir la imagen en una computadora. sin embargo, esta imagen queda limitada a la estructura de la superficie, lo cual no es de mucha utilidad si nuestro objeto de destino se encuentra entre otros de forma similar y no sabemos exactamente dónde, ”Explica Laura Fumagalli, autor principal del estudio que aparece en Materiales de la naturaleza el dia de ayer. "En esta situación, los humanos usarían uno de sus otros sentidos, como el olor o el gusto, para reconocer qué es exactamente una sustancia, por lo que utilizamos un enfoque similar ".

Todos los objetos exhiben una "constante dieléctrica" ​​característica, o permitividad, lo que da una indicación de cómo el material del que están hechos reacciona a un campo eléctrico aplicado. Al usar EFM, los investigadores aplicaron el campo eléctrico a los nanoobjetos utilizando la nanopunta, y percibió el pequeño movimiento de la palanca inducido por las respuestas dieléctricas de los objetos.

“Cuando cuantificamos sus constantes dieléctricas con precisión, luego pudimos usarlos como una "huella digital" para discriminar objetos de forma idéntica pero de composición diferente, que de otro modo sería imposible reconocer sin etiquetar, ”Explica Fumagalli. "Anteriormente, EFM solo había podido distinguir entre nanoobjetos metálicos y no metálicos en experimentos en blanco y negro. Ahora hemos reconocido cuantitativamente los fabricados con materiales muy similares y con bajas constantes dieléctricas, como es el caso de muchos complejos biológicos ”. Los desarrollos clave que hicieron los investigadores para lograr esto fueron aumentar la resolución eléctrica del microscopio en casi dos órdenes de magnitud, por lo que pudieron detectar fuerzas ultra débiles. También utilizaron nanopuntas geométricamente estables, así como un método preciso de modelar sus resultados que tiene en cuenta la física de un sistema y todos sus artefactos geométricos.

“Nuestro método, una forma no invasiva de determinar el estado interno de los objetos y correlacionarlos con sus funciones sin cortarlos ni etiquetarlos, será una herramienta invaluable para diversas áreas de investigación científica, ”Dice Gabriel Gomila, coautor del estudio y líder de grupo en IBEC. “Es particularmente importante en nanomedicina para el diagnóstico biomédico, abriendo la puerta a la detección cuantitativa sin etiquetas de macromoléculas biológicas como los virus en función de sus propiedades dieléctricas. Similar, se puede aplicar para detectar nanopartículas para el monitoreo y la protección ambiental ”.

Los investigadores han aplicado su técnica a importantes complejos biológicos, como virus. Al desentrañar por primera vez las propiedades dieléctricas de tales nanoobjetos, que hasta ahora han permanecido inaccesibles, pueden descubrir aspectos importantes de la funcionalidad de un virus. Con su técnica, discriminaron entre virus vacíos y que contienen ADN, por ejemplo, que son los que pueden insertar su material genético en el ADN de una célula huésped.

“Estos resultados también son un gran avance en el estudio fundamental de los dieléctricos a nanoescala, cuáles son los componentes básicos que determinan el rendimiento de la nueva generación de dispositivos nanoelectrónicos en la actualidad, ”Añade Fumagalli, quien también es profesor en el Departamento de Electrónica de la Universidad de Barcelona, como es Gomila. “Nuestra nueva técnica promete aclarar preguntas sobre las propiedades dieléctricas de nanocompuestos y nanodispositivos híbridos recientemente desarrollados, y puede decirnos a qué escala un objeto dieléctrico puede conservar sus propiedades; en otras palabras, cuán pequeños podemos llegar ".