Multiparametric Optical Characterization of Biological Nanoparticles using Evanescent Field Sensing
Doktorsavhandling, 2022
In light of the increasingly realized dependence of many biological functions on nanoscopic supramolecular assemblies, also including novel biotechnological applications, there is a need for advanced analysis methods capable of accurately quantifying different characteristics of these elusive entities. The prime aim of this thesis is the development and utilization of surface-based bioanalytical sensing methods for quantitative characterization of biological nanoparticles. The possibility to construct and use a waveguide-based evanescent light scattering microscopy instrument for investigation of various nanoparticle properties is explored through the study of liposomes and mRNA-containing lipid nanoparticles as well as polystyrene and silica nanoparticles. It is shown that through analysis of scattered light from such particles, single-particle-resolved information on their size, refractive index and interactions with surrounding protein solutions is obtainable, thus providing multiparametric characterization beyond the ensemble average. Additionally, this is combined with information gained from fluorescent labeling of certain biomolecular components, allowing nanoparticle content to be correlated with the other particle properties. The aforementioned systems were additionally investigated using a range of complementary methods, including nanoparticle tracking analysis, surface plasmon resonance sensing, and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring. It was concluded that the waveguide microscopy method provides quantitative information in good agreement with established methods, but offers certain key advantages, such as the possibility to provide single-particle resolved label-free information on protein binding kinetics combined with simultaneous evanescent light fluorescence microscopy measurements, thus providing new insights regarding nanoparticle heterogeneity.
protein corona
single-particle
liposomes
SPR
lipid nanoparticles
Waveguide scattering microscopy
label-free
mass quantification.
PJ-salen, Fysikgården 2
Opponent: Prof. Martin Malmsten, University of Copenhagen, Denmark
Författare
Mattias Sjöberg
Chalmers, Fysik, Nano- och biofysik
Ju mer vi genom åren har utforskat de olika processer som cellerna i våra kroppar utnyttjar för inbördes kommunikation och interaktion med sin omgivning, desto tydligare har det framkommit att ett kontinuerligt utbyte av biologiska nanopartiklar fyller en central funktion. Denna kategori av biologiska kommunikationsmedel är bred och mångfacetterad, men har storlek som gemensam nämnare; de är alla ungefär 1000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå, cirka 100 nanometer. Ett exempel är virus, vars förmåga att drastiskt påverka allas våra liv nyligen blivit otvivelaktigt tydliggjord. Andra exempel är vesiklar och lipidbaserade nanopartiklar, små kulor av fett som kan fyllas med diverse innehåll och leverera detta in i celler. Att undersöka och förstå dessa å ena sidan gäckande, å andra sidan livsviktiga små partiklar ger oss nycklar till hur de kan neutraliseras, påverkas eller teknologiskt användas, exempelvis som bärare av läkemedel.
Min forskning handlar om att utveckla och använda mätmetoder och analytiska modeller för detta syfte. Framför allt har jag utnyttjat att laserljus kan kopplas in i vissa materialstrukturer för att skapa ljusskikt lika tunna som nanopartiklarna själva och vars interaktion med dessa sedan kan observeras med mikroskop och tolkas. En av metodens styrkor är dess förmåga att avbilda nanopartiklar en och en, och alltså tillhandahålla information utöver den medelvärdesbaserade data som de flesta andra metoder ger. Resultaten visar hur tekniken kan användas till att förstå en rad olika aspekter av biologiska nanopartiklar, bland annat hur en heterogenitet i deras egenskaper, såsom massa eller storlek, kan samspela med beteende under exponering för olika biologiska omgivningar.
Min forskning handlar om att utveckla och använda mätmetoder och analytiska modeller för detta syfte. Framför allt har jag utnyttjat att laserljus kan kopplas in i vissa materialstrukturer för att skapa ljusskikt lika tunna som nanopartiklarna själva och vars interaktion med dessa sedan kan observeras med mikroskop och tolkas. En av metodens styrkor är dess förmåga att avbilda nanopartiklar en och en, och alltså tillhandahålla information utöver den medelvärdesbaserade data som de flesta andra metoder ger. Resultaten visar hur tekniken kan användas till att förstå en rad olika aspekter av biologiska nanopartiklar, bland annat hur en heterogenitet i deras egenskaper, såsom massa eller storlek, kan samspela med beteende under exponering för olika biologiska omgivningar.
Ämneskategorier
Fysik
Biofysik
Nanoteknik
ISBN
978-91-7905-691-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5157
Utgivare
Chalmers
PJ-salen, Fysikgården 2
Opponent: Prof. Martin Malmsten, University of Copenhagen, Denmark