Op de kleine schaal van nanometers speelt zwaartekracht geen rol. Nanodeeltjes, zoals enkele atomen of moleculen, zweven gewichtloos rond, net als een astronaut dat doet in zijn ruimteschip. Dat betekent dat wetenschappers die dit soort deeltjes willen bestuderen een manier moeten vinden om ze op een vaste plek te houden. Dan pas kun je goed volgen op welke manier ze binden aan andere moleculen in chemische reacties of hoe ze zich gedragen over lange tijd.

In een optisch pincet wordt uit het weerkaatste laserlicht de plek van de deeltjes duidelijk.

De meestgebruikte methode van dit moment maakt gebruik van licht. Een sterk gefocuseerde laserbundel kan deeltjes op een plek vastpinnen en besturen. Dat wordt een optisch pincet genoemd, in het Engels optical tweezer. De afgelopen 40 jaar heeft deze techniek zichzelf in de biologie bewezen, door bijvoorbeeld bij te dragen aan het ophelderen van de mysteries rond het opvouwen van DNA-strengen. De benodigde apparatuur voor deze techniek is echter duur en ingewikkeld. Kan het misschien ook makkelijker?

Elektrostatische val

Als het aan Madhavi Krishnan en zijn collega’s van het Technologisch Instituut in Zürich ligt wel. Ze ontwierpen een innovatieve val, waarmee nanodeeltjes te vangen zijn en vastgehouden kunnen worden. De val bestaat uit twee parallelle glaswanden met daartussen een smal kanaaltje waar water doorheen stroomt. Eén van de glaswanden bevat holtes van 300 nanometer diep, zogenaamde compartimenten.

Door contact met water raken de glaswanden negatief geladen. Als er nanodeeltjes door het water stromen die zelf ook negatief geladen zijn, worden ze dus afgestoten door de wanden. Ze worden naar een plek geduwd die het verst van alle wanden af ligt. Dat is precies in het midden van de compartimenten. Volgens Krishnan kunnen de deeltjes tot wel een aantal uur gevangen blijven in deze ‘elektrostatische val’.

Het mechanisme van de elektrostatische val. De onderzoekers probeerden verschillende vormen compartimenten uit.

M. Krishnan, ETH Zürich

Eenvoud van het systeem

De val werkt voor verschillende soorten deeltjes, zo lieten de onderzoekers zien. Gouden nanodeeltjes, polymeerbolletjes of zeepbellen: ze zijn allemaal te vangen, waarbij de grootte van het nanodeeltje kan variëren tussen 20 en 100 nanometer. Voorwaarde is wel dat de deeltjes negatief geladen zijn, maar dit geldt voor de meeste materialen zodra ze in contact komen met water.

Het is met name de eenvoud van het systeem die het aantrekkelijk maakt voor onderzoekers. Er kan zonder problemen gevarieerd worden in de vorm en de hoeveelheid van de compartimenten. Je kunt miljoenen van de vallen kwijt op een paar vierkante centimeter. Dat biedt mogelijkheden om een chemische reactie of binding bij een groot aantal moleculen te vergelijken. Denk aan het testen van geneesmiddelen of het bestuderen van biologische processen die zich in een cel afspelen.

Het hele systeem past gewoon in je broekzak. Het is alles bij elkaar zo’n twee bij vier millimeter groot.

M. Krishnan, ETH Zürich

Beperkingen

Volgens Jan Eijkel, expert op het gebied van vloeistofstromen op de nanoschaal en onderzoeker aan het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente, kun je er echt hele leuke dingen mee doen. Samen met zijn collega Albert van den Berg schreef hij een commentaarartikel in dezelfde editie van Nature. Ze zijn erg positief over de nieuwe vinding, maar wijzen ook op een aantal beperkingen. Zo zijn de gevangen nanodeeltjes bijvoorbeeld niet te verplaatsen, iets wat bij een optisch pincet wel kan.

De grootste beperking is echter dat de val minder goed werkt als de vloeistof die door het systeem stroomt een hoge zoutconcentratie heeft. Dat is vervelend, want de meeste biologische moleculen, zoals eiwitten, werken in hoge zoutconcentraties. Krishnan heeft daar wel iets op bedacht. Door de hoogte van de compartimenten te verkleinen tot tien nanometer moet het effect van de hoge zoutconcentratie af te remmen zijn, denkt hij. Maar de Twentse onderzoekers wijzen erop dat dit leidt tot een nieuw probleem. De afmetingen van de val zijn dan vergelijkbaar met de grootte van eiwitten en dan gaan aantrekkende vanderwaalskrachten een rol spelen die de afstotende krachten weer verstoren.

Kortom, perfect is de val nog niet, maar de eenvoud en prijs van het systeem zal menig onderzoeker aanspreken. Jan Eijkel zou er in ieder geval wel eentje willen hebben, zo laat hij desgevraagd weten.

Zie ook:

• Een spelletje Tetris met optische pincetten
• Duwen en trekken in de cel (Kennislink-artikel)
• De opmars van de Twentse lab-on-a-chip (Kennislink-artikel)