Uusi läpimurto kultananopartikkelien rakennemäärityksessä

Stanfordin ja Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että kultananopartikkelin tarkka yksittäinen rakennemääritys on mahdollista elektronimikroskopian avulla. Tätä ennen vain muutaman partikkelin rakenne on pystytty ratkaisemaan yksittäiskiteistä röntgendiffraktion avulla. Suomalaistutkijoiden osuus on tehty Suomen Akatemian rahoituksella. Tutkimus julkaistiin Science-lehdessä 22.8.2014.

Stanfordissa tehtyjen mittausten tuloksena saatu 1,1 nanometrin kokoisen, 68 kulta-atomia sisältävän partikkelin rakenne (kuva) vastaa Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa tehtyjä teoreettisia ennustuksia sekä infrapunaspektroskopian antamia tuloksia. Berkeleyn yliopistossa ja Hokkaidon yliopistossa tehdyt lisämittaukset antoivat lisätukea tuloksille.

Elektronimikroskooppi toimii hyvin samanlaisesti kuin näkyvää valoa käyttävä mikroskooppi. Näkyvän valon erotuskyky on kuitenkin vain valon aallonpituuden eli muutaman sadan nanometrin luokkaa, kun taas elektronisäteiden aallonpituus voidaan säätää samaksi kuin atomien välimatka kiteisessä aineessa (nanometrin osa).

Kiteeksi järjestäytyneitä makroskooppisia materiaaleja on tutkittu jo pitkään elektronimikroskopialla. Nanometrikokoiset materiaalit ovat kuitenkin vaativia kuvauskohteita, sillä tarkan atomitason kuvan saamiseksi materiaaleja on säteilytettävä suuren energian omaavilla intensiivisillä elektronisuihkuilla. Säteilytys tuo kuvauskohteeseen energiaa ja voi muuttaa kohteen rakennetta.

Uudessa tutkimuksessa otettiin erittäin heikkoa säteilyannosta käyttäen elektronimikroskooppikuva näytteestä, joka sisälsi noin tuhat samanlaista partikkelia. Tästä informaatiosta yksittäisen partikkelin kolmiulotteinen rakenne voidaan laskea keskiarvoistamalla kaikkien partikkelien antama signaali. Vastaavaa kuvausmenetelmää on aiemmin käytetty biomolekyylien rakennekuvauksessa, sillä nekään eivät kestä suurta elektronisäteilytystä.

Nyt julkaistun tutkimuksen arvo on siinä, että se osoittaa, kuinka pieniä nanopartikkeleita voidaan kuvata tarkasti elektronimikroskopialla käyttäen pieniä säteilyannoksia, mikäli partikkelinäyte on tarpeeksi samanrakenteinen. Menetelmä ei edellytä puhtaiden yksittäiskiteiden kasvattamista ja toimii erittäin pienillä ainemäärillä: esimerkiksi nyt kuvattu noin tuhannen kultapartikkelin näyte painaa vain 2 x 10^-14 milligrammaa (2 x 10^-14 on luku, jossa pilkun jälkeen on 13 nollaa ja 2). Menetelmä ei rajoitu vain kultapartikkeleihin vaan on käyttökelpoinen kaikkien metallinanopartikkelien rakennemäärityksessä.

Muutaman nanometrin kokoluokkaa olevilla kultapartikkeleilla on sovelluksia katalyytteinä, optisen signaalin herkistäjinä, fotoniikassa, biokuvantamisleimoina, lääkeaineiden kuljettajina ja molekyylielektroniikan komponentteina.

Tutkimuksessa olivat mukana Stanfordin yliopistostaMaia Azubel, Ai Leen Koh, David Bushnell ja Roger D. Kornberg(kemian nobelisti 2006),Jyväskylän yliopistostaSami Malola, Jaakko Koivisto, Mika Pettersson ja Hannu Häkkinen, Lawrence Berkeley -laboratoriosta Greg L. Hurasekä Hokkaidon yliopistostaTatsuya Tsukuda ja Hironori Tsunoyama. Tutkimuksessa tehty suurteholaskenta oli osa Hannu Häkkisen Stuttgartin  HLRS-GAUSS -laskentakeskuksen PRACE-laskentaprojektia ”Nano-gold at the bio-interface”.

Artikkelin tiedot:

M. Azubel, J. Koivisto, S. Malola, D. Bushnell, G.L. Hura, A.L. Koh, H. Tsunoyama, T. Tsukuda, M. Pettersson, H. Häkkinen and R.D. Kornberg, “Electron microscopy of gold nanoparticles at atomic resolution”, Science 345, 909 (2014)

Link: http://www.sciencemag.org/content/345/6199/909.abstract

 Lisätietoja antavat:

·  professori Roger D. Kornberg, Stanford University, kornberg@stanford.edu

·  professori Hannu Häkkinen, University of Jyväskylä, hannu.hakkinen@jyu.fi, p. 0400 247 973

Suomen Akatemian viestintä
tiedottaja Leena Vähäkylä
p. 029 5335 139
leena.vahakyla@aka.fi

Kuva: Elektronimikroskopian avulla määritetyn Au68-kultananopartikkelin rakenne. Eri väriset pallot kuvaavat partikkelin keskiakselin (punainen) ympärille järjestäytyneitä kulta-atomeja. Taustakuvana on elektronimikroskoopin antamia kuvia näytteestä. Copyright Maia Azubel, Stanford University.