Chromatography is een chemische scheidingsmethode die moleculen van een vloeistof of bloedmonster scheidt op basis van verschillen in binding aan micro- of nanodeeltjes. Een regelmatiger ordening van die deeltjes zou deze methoden kunnen verbeteren. ‘Onze methode geeft ons volledige controle om droge nanodeeltjes in elk gewenst patroon te rangschikken’, zegt Ignaas Jimidar van de Faculteit Scheikundige Technologie van de VUB (België) en UTwente, terwijl hij een glanzende silicium schijf van zo’n 10 centimeter doorsnede op de labtafel legt. Het ziet eruit als een cd en net als een cd bevat het een aantal onzichtbare geheimen. ‘Met behulp van lithografie hebben we verschillende vormen van een zeer dunne laag zacht materiaal op de schijf aangebracht’, legt Jimidar uit. ‘Deze laag is meer dan 1000 keer dunner dan een menselijke haar en dit materiaal wordt gemakkelijker opgeladen door statische elektriciteit dan de silicium schijf.’
‘Deze laag is meer dan 1000 keer dunner dan een menselijke haar’
Ik vraag me nog steeds af waarom dit van belang is... Maar dan neemt Jimidar een kleine hoeveelheid wit poeder uit een potje, miljoenen piepkleine nanodeeltjes, en legt die op de schijf. Vervolgens wrijft hij met een stukje zacht plastic over de schijf en het duurt niet lang voordat de verborgen geheimen op het oppervlak zichtbaar worden: een springend paard en het logo van de UT Twente zijn duidelijk te zien. De witte deeltjes hechten zich selectief aan het door statische electriciteit geladen gelithografeerde materiaal, bovenop de schijf en niet aan de schijf zelf. ‘Dit is slechts een demonstratieopstelling om onze nieuwe methode te illustreren: door simpelweg statische elektriciteit te gebruiken, kunnen we de locatie van de kleine deeltjes controleren’, zegt Kai Sotthewes, vakgroep Fysica van Interfaces en Nanomaterialen. In werkelijkheid voeren we dezelfde technieken uit op microscopische schaal.
‘Zachte materialen worden gemakkelijker geladen dan harde materialen’
Geordend patroon
Het beheersen van micro- en nanodeeltjes is een echte uitdaging, vooral voor droge deeltjes in poedervorm. ‘Ze klonteren gemakkelijk samen door elektrostatische en andere oppervlaktekrachten’, legt Sotthewes uit. ‘Om droge deeltjes te controleren en te organiseren, en ze aan een oppervlak te laten kleven, moet de aantrekkingskracht tussen het oppervlak en het deeltje sterker zijn dan die tussen de individuele deeltjes.’ Omdat elektrostatische krachten een belangrijke rol spelen bij de aantrekking tussen de deeltjes, gebruikten de wetenschappers dit in hun voordeel. Ze testten een combinatie van twee verschillende materialen die grote verschillen in elektrostatische lading vertoonden. ‘Zachte materialen, zoals we in onze demonstratie boven op onze silicium schijf lithografeerden, worden gemakkelijker geladen dan harde materialen’, zegt Sotthewes. ‘Als gevolg hiervan resulteert wrijven in het opladen van alleen het zachte materiaal en blijven de deeltjes in een ordelijk patroon aan de vorm van het zachte materiaal plakken. Met behulp van dit relatief eenvoudige principe kunnen we deze deeltjes nu in elke gewenste vorm manipuleren.’
Chemische analyses verbeteren
De toepassing van de nieuwe methode gaat veel verder dan het creëren van mooie vormen op een oppervlak. Vooral de mogelijkheid om sterk verbeterde assays en scheidingsmethoden te ontwikkelen die in de chemie worden gebruikt, is relevant. Bijvoorbeeld in chromatography. Deze standaard chemische scheidingstechniek is gebaseerd op het principe dat verschillende stoffen zich in verschillende mate hechten aan kleine deeltjes. ‘Veel mensen hebben gezien hoe een dot zwarte inkt kan worden opgesplitst in veel verschillende kleuren door deze aan te brengen op een plaat die is bedekt met een laag minuscule deeltjes’, legt Jimidar uit. ‘Door vervolgens een oplosmiddel door deze deeltjeslaag te laten lopen, wordt de zwarte inkt gescheiden in verschillende kleuren, omdat de verschillende kleurstoffen meer of minder sterk blijven plakken aan de deeltjes.’
‘Veel mensen hebben gezien hoe een dot zwarte inkt kan worden opgesplitst in veel verschillende kleuren’
Maar hoewel deze zogenaamde 'dunnelaagchromatografie' al lang bestaat, heeft het nog steeds beperkingen. Zo moet er voldoende ruimte zijn tussen de verschillende monsters om vermenging te voorkomen. Dit beperkt de capaciteit. Ook is de deeltjeslaag relatief dik, waardoor een groot monstervolume nodig is. Jimidar: ‘Het organiseren en controleren van deeltjes geeft ons de mogelijkheid om een veel dunnere laag op de plaat aan te brengen, slechts 10 in plaats van 200 micrometer, waardoor we nu met een veel kleiner monster toe kunnen. Hierdoor neemt de gevoeligheid en nauwkeurigheid van de assays toe. Maar door de smalle banden van deeltjes kunnen we ook meer verschillende monsters op dezelfde plaat aanbrengen.’ Door de deeltjes te kunnen controleren en ze op een meer geordende manier te manipuleren, hebben de wetenschappers het dus mogelijk gemaakt om deze test enorm te verbeteren.
Deeltjeschaos
Een andere belangrijke toepassing van gecontroleerde deeltjes is vloeistofchromatografie (LC), waarbij hetzelfde scheidingsprincipe wordt gebruikt als bij dunnelaagchromatografie: chemicaliën plakken in verschillende mate aan kleine deeltjes, die zijn samengepakt in een buisvormige kolom. Door deze kolom stroomt een vloeistof die het chemische mengsel bevat dat moet worden gescheiden. De verbindingen die het meest aan de kolomdeeltjes kleven komen er als laatste uit, terwijl de verbindingen die het minst kleven er als eerste uitkomen. Dit resulteert in een scheiding van verschillende stoffen in de vloeistof. Maar ook de deeltjes in de kolom hebben last van 'deeltjeschaos', wat resulteert in rendements- en nauwkeurigheidsverlies. Geschat wordt dat ongeveer 50-60% van het scheidingspotentieel verloren gaat door de chaotische rangschikking van de deeltjes in de kolom. ‘We hebben ontdekt dat als je de deeltjes in de kolom met behulp van onze methode op een meer georganiseerde manier in de kolom verpakt, de scheiding veel beter wordt', zegt Jimidar. ‘Een goed georganiseerde deeltjesverdeling resulteert namelijk in een minder chaotische vloeistofstroom, die meer als een recht front door de kolom beweegt. Dit resulteert in een veel betere scheiding van het chemische mengsel en een hogere gevoeligheid.’
Ook bioassays en optische detectie van eiwitten (proteomics), die op microscopische schaal worden uitgevoerd, profiteren van de toepassing van geordende deeltjes. ‘We kunnen een zeer dunne laag geordende deeltjes aanbrengen op een kleine chip', zegt Jimidar. ‘Door het geordende deeltjespatroon is de vloeistof die er doorheen stroomt veel regelmatiger en heeft geen last van uitwaaieren. Dit verhoogt met name de efficiëntie en nauwkeurigheid en kan leiden tot de vroege detectie van eiwitten die geassocieerd worden met bijvoorbeeld kanker of de ziekte van Alzheimer. Hoewel het maken van een dunne, geordende deeltjeslaag eindelijk is gelukt, kan het nog wel een paar jaar duren voordat de methode kan worden geïmplementeerd in chemische assays. Jimidar: ‘Aangezien chromatografiedeeltjes vaak poreus zijn, om het oppervlak te vergroten, en specifiek gecoat zijn voor bepaalde scheidingen, moeten we onze methode aanpassen en testen om ook deze deeltjes te ordenen.’
