Nanofluidics as a tool for parallelized single nanoparticle characterization: Fluorescence single nanoparticle catalysis and size determination through 1D Brownian motion
Doktorsavhandling, 2021

Nanoparticles exist widely in nature and are objects of study in many scientific disciplines due to their high performance in a wide range of applications. With modern techniques that facilitate creating and shaping of nanoparticles into ever more complex shapes and compositions, characterization of particle properties is essential. Nanoparticles are typically heterogeneous and techniques with single particle resolution are necessary to avoid the ensemble averaging that is otherwise prevalent. Plenty of methods have been developed to characterize single particle properties, but they all have their own restrictions and limitations, and additional methods are still needed to complement existing methods.

This thesis is based on two novel methods for single nanoparticle characterization. The first method, parallelized nanofluidic fluorescence microscopy, evaluates the fluorescence downstream of single Au nanoparticles, each one in its own nanochannel, to measure the turnover frequency during catalytic reduction at the particle surfaces. It facilitates measurements of catalytic turnover frequency from single Au nanoparticles of different sizes and shapes measured in a parallelized fashion to ensure identical reaction conditions and synchronous measurement. The second method, Nano-SMF, monitors the Brownian motion of fluorescent particles flowing through an array of nanochannels and determines the particle sizes based on the particle movement. It provides characterization of size and multiple fluorescence intensities for thousands of individual fluorescent particles with high throughput and for complex size distributions, which are prevalent in biological systems.

Both methods utilize nanofluidic flow systems to keep the readout signal in focus of the microscope and separate the nanoparticles and the signals emanated by them within parallel nanochannels. Together they showcase how nanofluidics provides a practical and versatile platform for single nanoparticle characterization.

particle tracking

single nanoparticle catalysis

nanofluidics

heterogenous catalysis

fluorescence microscopy

dark field microscopy

Brownian motion

Online on Zoom, Password: 576966
Opponent: Johan Hofkens, KU Leuven, Belgium

Författare

Sune Levin

Chalmers, Biologi och bioteknik, Kemisk biologi

A nanofluidic device for parallel single nanoparticle catalysis in solution

Nature Communications,; Vol. 10(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Q. Lubart, S. Levin, S. Block, S. Jõemetsa, E. Olsén, S. Kesarimangalam, A. Görgens, S. El-Andaloussi, F. Höök, M. Bally, F. Westerlund, E. K. Esbjörner. Size determination and multiplexed fluorescence-based phenotyping of single cell-derived membrane vesicles using a nanochannel device

S. Levin, S. Lerch, A. Boje, J. Fritzsche, S. Kesarimangalam, H. Ström, A. Hellman, K. Moth-Poulsen, H. Sundén, F. Westerlund, C. Langhammer. Nanofluidic trapping of colloidal nanocrystals for parallelized single particle catalysis

Att mäta nanopartiklars individuella egenskaper

Nanopartiklar är så små att om du håller en nanopartikel i handen, så har den samma storlek i förhållande till dig som du har till jordklotet du står på. De är otroligt användbara inom massor av nya tekniker så som solenergi, cancerterapi eller katalys, och biologiska nanopartiklar finns i våra kroppar och sköter till exempel kommunikation mellan celler. Anledningen till att nanopartiklar är så användbara är de nya materialegenskaper som uppkommer när man skalar ner material till nano-storlekar. Eftersom nanopartiklarna är så små är dessa egenskaper dock svåra att undersöka och trots att forskningen går fort framåt är det mycket som fortfarande är oklart. Ett av problemen är att liknande nanopartiklar ofta kan uppvisa väldigt olika egenskaper och man behöver därför undersöka enstaka partiklar för att förstå hur de fungerar fullt ut.

Att mäta nanopartiklars egenskaper är vad jag gett mig an i arbetet bakom min avhandling. Jag och mina kollegor har utvecklat två metoder som på olika sätt kan utvärdera egenskaper hos många, men enstaka, nanopartiklar. Den första metoden går ut på att fånga nanopartiklar i nanokanaler och se hur aktiva de är i att driva kemiska reaktioner. I den andra metoden tittar jag istället på självlysande nanopartiklars rörelse när de flödar genom nanokanaler och kan genom noggrann analys av deras rörelse bestämma partiklarnas storlek. Båda metoderna använder sig av nanofluidik, som är läran om hur vätska och flöde fungerar i nanoskala. I nanokanaler kan partiklarna hållas på plats i ett mikroskops fokus och på så vis ge tydligare mätsignaler, vilket behövs för att kunna mäta enstaka nanopartiklars egenskaper. I min avhandling går jag igenom grunden för dessa två mätmetoder och visar på hur nanofluidik utgör en mångsidig plattform för att mäta egenskaper hos enstaka nanopartiklar.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (SO 2010-2017, EI 2018-)

Ämneskategorier

Biologiska vetenskaper

Nanoteknik

Kemi

ISBN

978-91-7905-469-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4936

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online on Zoom, Password: 576966

Online

Opponent: Johan Hofkens, KU Leuven, Belgium

Mer information

Senast uppdaterat

2021-06-08