Développement du microscope hyperspectral à induction de lumière

Succès de l’imagerie de la couche moléculaire de surface des nanoparticules

L’équipe d’imagerie nanospectrale de l’Institut coréen de recherche sur les normes et la science (KRISS, directeur Hyun-Min Park) a réussi à observer la surface de nanoparticules sous forme d’images chimiques à l’aide d’un microscope à induction de lumière hyperspectrale développé indépendamment. L’observation de nanoparticules individuelles est la première au monde.

Les résultats de cette recherche devraient accélérer la vérification de la sécurité des nanoparticules et le développement de nouvelles nanoparticules.

Les nanoparticules ont une grande surface, elles réagissent donc rapidement et, comme elles sont très petites, elles pénètrent facilement dans le corps humain. Les propriétés et la toxicité étant différentes en fonction de l’état de surface ou des molécules fixées à la surface, une couche moléculaire de propriétés souhaitées est appliquée sur les nanoparticules. Lorsque la surface est entourée d’une molécule spécifique, elle peut être utilisée pour le diagnostic, l’administration de médicaments et le traitement en ciblant uniquement les cellules malades souhaitées.

Par exemple, des nanoparticules recouvertes en surface de molécules capables de traiter les cellules cancéreuses peuvent contourner les cellules cancéreuses du corps humain pour un traitement ciblé.

Afin de contrôler les propriétés des nanoparticules et de les utiliser en toute sécurité, il est de la plus haute importance d’analyser avec précision si la couche moléculaire des propriétés souhaitées est bien liée à la surface des particules.

Dans le cas des nanoparticules d’argent, lorsqu’une couche moléculaire aux propriétés souhaitées n’est pas appliquée en surface, elle présente une cytotoxicité même lorsqu’elle est utilisée en petite quantité. D’autre part, il est rapporté que la cytotoxicité est réduite lorsque la surface est revêtue d’un matériau sûr.

Le problème est qu’il n’y a aucun moyen de le confirmer avec la méthode de mesure traditionnelle, la spectroscopie infrarouge *. En effet, les nanoparticules sont de très petite taille et ne peuvent pas distinguer chaque particule, et l’analyse au niveau moléculaire de la couche de surface de chaque particule est plus impossible.

* Spectroscopie infrarouge: lorsque les rayons infrarouges sont exposés à une substance, la vibration des molécules est excitée et une partie des rayons infrarouges est absorbée. La longueur d’onde et la quantité absorbée des rayons infrarouges absorbés sont dues à des liaisons chimiques dans le matériau et sont donc utilisées comme moyens d’analyse.

Pour surmonter ce problème, l’équipe de recherche a développé un microscope à force guidé par la lumière hyperspectral *. Au lieu d’une lentille de microscope, un nouveau dispositif appelé microsonde est installé près de l’échantillon et la lumière laser est dirigée vers la sonde. La lumière collectée interagit avec l’échantillon et génère une petite force (force d’induction lumineuse) sur la sonde. En mesurant l’image hyperspectrale de l’échantillon contre cette force, il est possible de diagnostiquer les propriétés de nanoparticules individuelles avec une grande précision.

* Hyperspectral: méthode permettant d’obtenir des informations spectrales à partir de n’importe quel endroit de l’espace et de les reconstruire en une image. Ceci est utilisé pour analyser la distribution spatiale de matériaux hétérogènes.

L’équipe de recherche a analysé les propriétés spectroscopiques de nanoparticules dans lesquelles des molécules de polyéthylène glycol (PEG) sont liées à des nanoparticules d’or et des nanoparticules qui sont des particules de polymère (amine tertiaire) sont liées à des particules d’oxyde de fer.

«Cette réalisation de recherche nous permet de mesurer les informations de chimie de surface des nanoparticules au niveau des particules individuelles, afin que nous puissions tester les performances des nanoparticules à l’avance avant de les appliquer au corps humain», a déclaré Eunsung Lee, chercheur à KRISS. « Cela aidera à analyser l’instabilité des nanoparticules qui peut survenir. »

Le vice-président de KRISS, Lee Tae-geol (actuellement chef du Centre de soutien aux technologies de nanosécurité au sein du ministère de la Science et de la Technologie) a déclaré: « En termes de sécurité in vivo des nanoparticules, une analyse précise au niveau des nanoparticules individuelles était essentielle. » Il est très important de pouvoir le surmonter. »

Les résultats de la recherche, soutenus par le projet de Nanosafety Technology Support Center du ministère des Sciences et des TIC, ont été publiés le 1er juillet dans la revue de renommée mondiale des lettres de chimie physique (Journal of Physical Chemistry Letters, IF: 6.71).

Explication supplémentaire des résultats de la recherche

□ Explication des termes

1. Nanoparticules

Les nanoparticules sont généralement plus grosses que les atomes et plus petites que les cellules, et sont des particules d’un diamètre de 1 nm à 100 nm. Un nanomètre (nm) est une très petite unité, environ cent millièmes de cheveux. Ainsi, même si le même matériau est réduit à une taille nanométrique, sa résistance devient forte et ses propriétés uniques apparaissent, comme une bonne conduction électrique.

Les nanomatériaux peuvent facilement modifier les propriétés électriques et chimiques d’une surface de matériau, et divers nanomatériaux adaptés à l’usage peuvent être fabriqués en utilisant ces propriétés. Par conséquent, il est utilisé dans divers domaines tels que les matériaux chimiques, les automobiles, l’information et la communication, l’énergie environnementale et la biomédecine.

Les propriétés uniques de Nano sont utiles dans la vie réelle, mais en raison des mêmes propriétés, la nano-dangerosité est également un problème. En raison de sa petite taille, il peut pénétrer plus facilement dans notre corps et la probabilité de provoquer une toxicité augmente. Étant donné que le potentiel de toxicité des nanomatériaux peut également changer en raison de changements dans diverses propriétés physico-chimiques, le diagnostic de sécurité est d’une importance capitale.

2. Spectroscopie: méthode d’identification du type de molécule à l’aide de la lumière (en particulier infrarouge).

Chaque molécule vibre à sa propre fréquence. Lorsqu’elle est irradiée avec une fréquence de lumière qui correspond à cette fréquence moléculaire, la molécule vibre plus sévèrement, absorbant ou diffusant la lumière, et d’autres phénomènes spéciaux se produisent. En d’autres termes, si une molécule présente ce phénomène particulier à la lumière d’une fréquence spécifique que j’irradie, on peut deviner de quelle molécule il s’agit.

3. Sonde: une aiguille pointue, un outil de mesure pour rechercher une forme ou une propriété locale.

Vous pouvez caractériser la zone touchée en la rapprochant de la cible et en mesurant la réponse à la sonde. Pour regarder de près la plus petite zone possible, la pointe doit être très pointue. La nanoscience nécessite des mesures avec une précision de plusieurs dizaines de nanomètres ou moins, de sorte que la pointe de la sonde est très petite, avec une taille de 10-20 nm.

4. Force photo-induite: réaction d’une substance à la lumière, telle que l’absorption ou la diffusion, par une force induite ou générée par la lumière.

Lorsque la sonde est proche de l’échantillon et qu’une lumière laser est irradiée entre l’échantillon et la sonde, un dipôle séparant l’anode et la cathode est formé dans l’échantillon, qui à son tour crée un autre dipôle dans la sonde. La force formée entre ces deux dipôles est appelée induction électrique lumineuse. Il y a une forte dilatation thermique de l’échantillon à la longueur d’onde d’absorption du matériau, cette dilatation thermique modifie la distance entre la sonde et l’échantillon pour générer une force. Cette force est appelée la force d’induction de la lumière thermodynamique. En général, la force d’induction lumineuse électrique est forte dans les matériaux métalliques et la force d’induction lumineuse thermodynamique est forte dans les matières organiques. Étant donné que ces forces varient en fonction de la nature de l’échantillon, la mesure de l’amplitude de la force peut révéler les propriétés optiques de l’échantillon.

□ Image de réalisation de la recherche

○ Schéma de principe du principe de mesure d’un microscope à force induite par la lumière

Lorsqu’un laser est tiré entre la sonde et l’échantillon, un fort champ proche est généré et une force est induite dans la sonde. L’amplitude de cette force varie en fonction de la structure interne de l’échantillon, et en mesurant ce changement, une image interne de la nanostructure peut être obtenue. Le microscope à force guidé par la lumière hyperspectral a amélioré sa fonction en ajoutant la technologie d’élément hyperspectral au microscope à force guidé par la lumière développé en 2018. L’hyperspectroscopie est une méthode permettant d’obtenir des informations spectrales à partir de n’importe quel endroit de l’espace et de les reconstruire en une image. Grâce à cela, il est utilisé pour analyser la distribution spatiale de substances hétérogènes.

(a) Diagramme schématique de la modification de surface de nanoparticules d’or avec des molécules de polyéthylène glycol (PEG),

(b) image de la forme des particules fonctionnelles (à l’aide de l’équipement de microscope atomique existant),

(c) Image nanospectrale de particules fonctionnelles à 1 200 cm-1 (en utilisant l’équipement de développement KRISS),

(d) Image nanospectrale de particules fonctionnelles à 1100 cm-1 (en utilisant l’équipement de développement KRISS),

(e) Résolution spatiale de 10 nm de l’image nanospectrale

□ Description des résultats de la recherche

La molécule de PEG a une fréquence naturelle à 1100 cm-1 (cm-1 est l’unité de fréquence). Comme le montre la figure (d), lorsque la lumière de cette fréquence est irradiée, l’image de la particule semble brillante, et lorsque la fréquence de la lumière est décalée à 1200 cm-1 figure (c), l’image de la particule devient sombre. En d’autres termes, la force d’induction lumineuse a été mesurée la plus grande sur la figure (d), qui est la fréquence naturelle de la molécule, 1100 cm-1.

En modifiant la fréquence (ou la longueur d’onde) de la lumière et en mesurant la force d’induction lumineuse, vous pouvez découvrir de quelle molécule il s’agit. C’est le résultat de la mesure confirmant que la molécule attachée à la nanoparticule sur l’image est une molécule PEG.

Il ne peut pas être observé avec un microscope à force atomique générale (AFM), et peut être observé avec un microscope à force induite par la lumière développé par KRISS. On ne sait pas quelles molécules sont attachées à une particule, seule la taille ou la position de la particule est mesurée. Même si la fréquence (longueur d’onde) de la lumière est modifiée, seule la même image que sur la figure (c) apparaît.

□ Plan d’application

1. Test de performance des nanoparticules thérapeutiques

Les informations de chimie de surface des nanoparticules fonctionnelles d’une taille de dizaines de nanomètres utilisées dans les domaines biomédicaux peuvent être mesurées au niveau des particules individuelles. La performance des nanoparticules peut être examinée avant application sur le corps humain, et l’instabilité qui peut survenir dans le corps (augmentation des radicaux libres dans les cellules) peut être analysée à l’avance.

2. Analyse fine des motifs de l’appareil

Il est possible de prédire plus précisément les performances du dispositif en analysant la composition chimique de chaque motif ainsi que les informations de forme sur les micro-motifs des nanodispositifs qui deviennent plus petits en taille nanométrique.

□ Informations sur la thèse et les projets de soutien

1. Nom et adresse de la thèse:

2. Projet d’appui: Ministère de la science et de la technologie, Information et communication Projet de centre d’appui aux nanotechnologies pour la sécurité

Photo des résultats de la recherche

Profil d’Eunsung Lee, chercheur principal

1. Informations personnelles

· Nom: Eunsung Lee

· Affiliation: Équipe d’imagerie nanospectrale, Institut de recherche sur la mesure de la convergence des matériaux, Institut coréen de recherche sur les normes et la science

· Poste: Chercheur principal

· Téléphone: 042-868-5210

· e-mail: eslee@kriss.re.kr

2. Éducation

· BS en chimie, Université nationale de Séoul (1984 ～ 1988)

· Master de physique KAIST (1988 ～ 1990)

· Ph.D., Optical Science Center, Université d’Arizona (1996 – 2001)

3. Expérience

· 1990 ～ présent: Chercheur en chef, Institut coréen de recherche sur les normes et la science

· 2002 ～ 2005: Professeur assistant, Département de nanotechnologie, Université d’Inje

· 2013 ~ 2014: Chercheur invité, Université de Californie à Irvine

4. Performance des récompenses

· 2009: Sélectionné pour son excellence dans le futur projet de développement de la technologie source par le ministère de l’Éducation, des Sciences et de la Technologie

· Impression KRISS 2019 de l’Institut coréen de recherche sur les normes et la science en janvier

5. Informations sur la spécialisation

· Technologie de mesure des propriétés optiques basée sur la nano-optique, technologie de bio-imagerie optique non linéaire

Technologie d’imagerie optique haute résolution

6. Publications et brevets

· «Origines spectroscopiques à l’échelle nanométrique de la force pointe-échantillon photoinduite dans l’infrarouge moyen» Actes de la National Academy of Sciences: (2019)

· 20 brevets nationaux et étrangers tels que « Microscope optique à balayage en champ proche à diffusion double canal »

Profil de chercheur principal Jeonghoon Jang

1. Informations personnelles

· Nom: Jeonghoon Jang

· Affiliation: Équipe d’imagerie nanospectrale, Institut de recherche sur la mesure de la convergence des matériaux, Institut coréen de recherche sur les normes et la science

· Poste: chercheur principal

· Téléphone: 042-868-5466

· courriel: phyjjh@kriss.re.kr

2. Éducation

· Université de Séoul, Bachelor of Physics (2001 ～ 2005)

· Université nationale de Séoul, Département de physique et d’astronomie, Master (2005 ～ 2007)

· Université de Californie, Irvine, Ph.D., Département de physique et d’astronomie (2011 ~ 2016)

3. Expérience

· 2020 ～ Présent: Chercheur principal, Institut coréen de recherche sur les normes et la science

· 2016 ～ 2019: Chercheur postdoctoral, Institut coréen de recherche sur les normes et la science

· 2009 ~ 2011: Chercheur, Nanoliquid Research Center, Seoul National University

· 2007 ～ 2009: Chercheur Park Systems

4. Performance des récompenses

· 2020: Sélectionné comme OSK Rising Star 30 pour le 30e anniversaire de la Korean Optical Society

· 2019: Institut coréen de recherche sur les normes et la science, prix Excellent Forcedak

· 2016: Chercheur exceptionnel de la Korea Research Foundation (KRF)

·2014: Réunion d’automne de la Material Research Society (MRS) Prix de la meilleure présentation orale des étudiants diplômés (Prix Or des étudiants diplômés)

5. Informations sur la spécialisation

· Technologie d’imagerie haute résolution basée sur un microscope à sonde à balayage, technologie de mesure des propriétés optiques basée sur la nano-optique

6. Publications et brevets

· «Imagerie chimique directe de nanoparticules simples fonctionnalisées par ligand par microscopie à force photoinduite (2020), etc.

· Brevet américain pour «Microscope à sonde à balayage utilisant des molécules de capteur pour améliorer la force photo-induite sur les échantillons» (WO2019227078, USA)