Bridging Single-Particle Characterisation Gaps of Optical Microscopy in the Nano-Submicron Regime
Doctoral thesis, 2023

As the practical importance of particles in the nano-submicron size regime continues to increase in both biomedical applications and industrial processes, so does the need for accurate and versatile characterisation methods. Optical scattering microscopy methods are commonly used for single-particle characterisation as they provide quick measurements at physiologically relevant conditions with detection limits reaching down to individual biomolecules. However, quantitative particle characterisation using optical microscopy often rely on assumptions about the surrounding media and the
particle, including solution viscosity, boundary conditions, as well as particle shape and material. Since these assumptions are difficult to evaluate, particle characterisation beyond hydrodynamic radius and/or mass remains challenging.

The aim of this thesis is to contribute to bridging the gaps that limit quantitative optical microscopy-based characterisation of individual particles in the nano-submicron regime by both developing new and improving existing microscopy methods. Specifically, in Paper I a method was developed to evaluate the relation between diffusivity and particle size to enable measurements of the hydrodynamic boundary condition. Papers II-V are based around the development of holographic nanoparticle tracking (H-NTA) and extensions thereof, with the intent of using the complex-valued optical field for material sensitive particle characterisation with minimal dependence on the surrounding media. In Paper II, H-NTA by itself was used to characterise suspensions containing nanobubbles and molecular aggregates. In Paper III, the combination of H-NTA with deep learning was used to achieve simultaneous quantification of size and refractive index directly from single microscopy images, which allowed detection of reversible fluctuations in nanoparticle aggregates. In Paper IV, H-NTA augmented with a low frequency attenuation filter, coined twilight holography, was used to investigate the interaction between herpes viruses and functionalised gold nanoparticles in terms of size, bound gold mass, and virus refractive index. In Paper V, the combination of twilight holography and interferometric scattering microscopy (iSCAT) was used to quantify both size and polarizability of individual nanoparticles without the need of detailed knowledge about the surrounding media. Taken together, the presented results in this thesis provide both new insights into heterogenous nanoparticle systems and contributes to narrowing the gap for detailed optical particle characterisation.

holography

particle shape

dynamics

Optical microscopy

particle tracking

size estimation

iSCAT

material sensitivity

EB
Opponent: Prof. Philipp Kukura

Author

Erik Olsén

Chalmers, Physics, Nano and Biophysics

Olsén, E., Midtvedt, B., González, A., Eklund, F., Ranoszek-Soliwoda, K., Grobelny, J., Volpe, G., Krzyzowska, M., Höök, F., and Midtvedt, D. Label-Free Optical Quantification of Material Composition of Suspended Virus-Gold Nanoparticle Complexes

Olsén, E., García Rodríguez, B., Skärberg, F., Parkkila, P., Volpe, G., Höök F., and Midtvedt, D Dual-Angle Interferometric Scattering Microscopy for Detailed Optical Multiparametric Particle Characterization

Mångfacetterad belysning ger rikare upplysning om biologiska nanopartiklar

Ju mer vi lär oss om celler och biologiska partiklar, som t.ex. virus och läkemedelsbärare, på nano- och mikrometernivå, desto mer inser vi behovet av förbättrade mätmetoder. Eftersom nanopartiklar har en storlek kring en tusendel av ett hårstrås bredd så används högupplösta mikroskop för att undersöka dess egenskaper. För biologiska system används oftast ljusmikroskop, eftersom de inte skadar partiklarna som undersöks. Nackdelen med ljusmikroskopi är dock att det är svårt att mäta alla de egenskaper som bestämmer nanopartiklarnas funktion, såsom storlek, struktur och material. Det
begränsar i sin tur vår förståelse kring egenskaperna hos nanopartiklar.

Min forskning fokuserar på att utveckla nya ljusmikroskopimetoder för att utöka den uppmätta informationen om enskilda nanopartiklar vid en och samma mätning. Framför allt har jag använt att ljus är mer än dess intensitet, och visat att små tidsfördröjningar mellan ljus som har växelverkat med
en partikel och ljus som precis missade samma partikel kan ge information om dess massa, storlek, materialtyp och struktur. Denna detaljrikedom har jag använt för att urskilja olika partikeltyper i ett och samma prov och undersökt hur olika partikelegenskaper korrelerar med varandra. På det viset har
jag t.ex. kunnat kvantifiera hur små guldnanopartiklar binder selektivt till virus och hur protein kan bilda aggregat i komplexa lösningar. Detta möjliggör att nya frågor som tidigare inte var möjliga att besvara, nu kan undersökas.

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology

Subject Categories

Atom and Molecular Physics and Optics

Biophysics

Condensed Matter Physics

ISBN

978-91-7905-891-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5357

Publisher

Chalmers

EB

Online

Opponent: Prof. Philipp Kukura

More information

Latest update

8/7/2023 6