Nanopartículas (amarillas) que se dirigen a las células cancerosas y entran en ellas (azul). Crédito:NIH
Las nanopartículas (aquellas con diámetros inferiores a una milésima parte del ancho de un cabello humano) son cada vez más frecuentes en la alta tecnología, medicamento, y bienes de consumo. Sus caracteristicas, tanto deseable como indeseable, dependen críticamente de su tamaño.
Por ejemplo, una nanopartícula (NP) en el torrente sanguíneo de 50 nanómetros (nm, mil millonésimas de metro) de ancho puede tener un efecto limitado en las células que encuentra; pero una versión de 20 nm de exactamente el mismo material puede ser tóxica. Las consideraciones de tamaño son especialmente importantes si, como se esperaba, Los NP juegan un papel importante en la terapia del cáncer. Como resultado, Las mediciones precisas del volumen de una partícula son esenciales.
Pero el volumen medido con diferentes herramientas puede variar sustancialmente. Por ejemplo, Un nuevo análisis realizado por científicos del NIST ha demostrado que cuando se mide el mismo conjunto de NP con los dos métodos de referencia más utilizados, las estimaciones de volumen calculadas pueden diferir hasta en un 160% debido a sesgos inherentes en cada método. Para rectificar esa situación, los investigadores han propuesto y probado un novedoso esquema de medición combinado que puede minimizar los errores y, al mismo tiempo, mantener un alto rendimiento de medición.
"Por mucho tiempo, a pesar de que muchas personas estaban trabajando en este problema, ha habido diferentes respuestas de los diferentes métodos y nadie parecía saber qué método era correcto o cuál es el tamaño correcto de nanopartículas, "dice Ravikiran Attota, quien dirigió la investigación.
El núcleo del problema es que se hacen suposiciones al medir el volumen de NP, especialmente NP de forma irregular (IS-NP). Además, El volumen de NP rara vez se mide directamente. En lugar de, El tamaño tridimensional normalmente se extrapola. Las herramientas de referencia ampliamente utilizadas, como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM), miden el volumen mediante métodos muy diferentes.
En SEM, un haz de electrones enfocado se escanea a través de la partícula desde arriba para producir una imagen 2D de largo y ancho. Este enfoque de arriba hacia abajo no puede determinar la altura de una partícula, que se supone que es aproximadamente de la misma magnitud que las otras dos dimensiones.
El método de combinación para determinar el volumen de nanopartículas implica medir tanto el ancho como el largo utilizando imágenes SEM de arriba hacia abajo para obtener una lectura del diámetro (a, B, C), midiendo la altura usando AFM (d, e) y luego combinar las lecturas para calcular el volumen (f). Crédito:Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
En el método AFM, una sonda puntiaguda se mueve sobre el NP para registrar solo su altura máxima, no el ancho o el largo, que se supone que son aproximadamente iguales.
En cualquier caso, los datos se introducen en un algoritmo que calcula el volumen que tendría la partícula si fuera una esfera perfecta.
Las mediciones del mismo lote de partículas difieren significativamente según cuál de los dos métodos se utilice, y esa discrepancia es un problema notorio en la nanociencia. Los investigadores del NIST encontraron que cada método tiene un sesgo distintivo porque los resultados están influenciados tanto por la posición en la que los NP descansan sobre la superficie sobre la que se miden, y por la naturaleza de la medición.
A menos que las partículas sean perfectamente esféricas, Las mediciones SEM suelen producir valores más grandes para el diámetro de partículas, y la diferencia entre las mediciones de SEM y AFM aumenta cuanto más se desvía la forma IS-NP de una esfera. Por ejemplo, un IS-NP con forma de pan de hamburguesa, es decir, mucho más ancho que alto:se verá más grande desde la perspectiva SEM de arriba hacia abajo que desde la perspectiva AFM de solo altura.
Para lograr el menor error en las estimaciones de volumen, proponen los científicos del NIST, las mediciones deben realizarse utilizando técnicas SEM y AFM para producir una forma tridimensional más precisa. (Ver diagrama). Después de probar la idea en modelos y simulaciones con formas generadas por computadora, utilizaron un surtido de 54 guijarros de acuario de vidrio de forma irregular cuyo volumen se pudo determinar con exactitud. Empleando la técnica de medición combinada para calcular el volumen producido valores que diferían menos del 1% del volumen medido real.
Luego, los investigadores aplicaron la técnica a las mediciones reales de SEM y AFM realizadas en las mismas nanopartículas de oro con diámetros de alrededor de 50 nm. Los resultados estuvieron de acuerdo con las simulaciones y experimentos con guijarros, although limited by the fact that SEM measurements cannot exactly detect the edges of gold nanoparticles. The scientists speculate that a related technology, 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."
