In situ onderzoek van dynamica van biochemische en nanocolloidale systemen via snelle optische nanoscopie: Video snelheid hoge resolutie microscopie in materiaalwetenschappen en biochemie.

Nanomaterialen zijn dagdagelijkse dingen geworden. Ze worden gebruikt voor hun exotische eigenschappen, zoals in katalyse (voor hun uitzonderlijke reactiviteit of verminderd gebruik in startmateriaal), voor het aanpassen van bulk materialen (vertonen van lichtgevende kwaliteiten zoals kwantum ‘dots’ of aanpassen van bevochtigingkarakteristiek voor zelf-schoonmakende ramen), of als biomedische toepassing (in geneesmiddeltrafiek, als mogelijke nieuwe pathologische onderzoekstechniek of als nieuwe behandelingsprocedure).

Vele van deze voorbeelden klinken futuristisch, toch komen nanomaterialen voor in vele huishoudproducten, zoals in: zonnecreme (voorkomen UV blootstelling), tandpasta (verbeterde bescherming), in koelkasten (ziektekiem werend) en in computers (miniaturisatie). Om hun gedrag, interacties en algemene invloed te bestuderen is er een nood om deze materialen te visualiseren op hun ware grootte.

Optische microscopie zorgde voor een ware doorbraak in biologisch onderzoek naar micro-organismen, zoals bacteriën en virussen. Zo ook is optische microscopie een geschikte techniek voor het bestuderen van deze eerder beschreven materialen. Zeker fluorescentie microscopie zoals confocale microscopie toont zich nuttig om (sub-)micrometer partikels te bestuderen, zonder al te veel verstoring of manipulatie. Dankzij recente verbeteringen in het veld van optische microscopie kunnen resoluties tot een tiental nanometers bekomen worden. Deze technieken worden onder de noemer van super-resolutie microscopietechnieken geplaatst, of ook wel optische nanoscopietechnieken genoemd.

Druppels zijn alomtegenwoordig en men kan ze tegenkomen in verschillende vormen. In deze thesis bestaan ze uit drie fazen zoals de typische druppel, een combinatie van vloeistof, gas en vaste stof. Druppels kunnen een neveneffect of een doel op zich zijn, van zowel industrieel als academisch onderzoek. Door hun eenvoud vormen ze een goed experimenteel systeem. Dit door de beperking van plaats van het te onderzoeken materiaal, minimaal gebruik aan onderzoeksmateriaal en betere controle over de externe invloeden en experimentele reproductie.

Druppels blijken een simpele manier om nano- en biomaterialen af te zetten op een gecontroleerde manier. Deze thesis wil fluorescentiemicroscopie als onderzoeksplatform voor sub-micrometer partikels, van allerlei aard, naar voren schuiven en dit in een gecontroleerd studie systeem: drogende druppels.

In een eerste studie werd het bekende koffie-ring-effect uitgebuit, een stroming in een onbeweegbare druppel die na opdrogen afzettingspatronen in de vorm van een ring vertoont. In deze ring accumuleert de materie, eerder aanwezig in de druppel. Zowel fluorescente bacteriën als partikels vertonen deze koffie-ringen. Door toevoeging van surfactanten verandert de stroming in de druppel en dus ook het opdroogpatroon. Bacteriën die zelf surfactanten produceren, vertonen deze opmerkelijke veranderlijke stroming ook.

Vergelijkbaar met deze studie, wordt in een tweede studie een hogere concentratie surfactanten gebruikt. Hier wordt een periodische afzetting van partikels aan de druppelrand bereikt, meerbepaald in een bloemvorm (of golfbeweging).

Een derde studie toont hoe druppels kunnen gebruikt worden om fluorescent DNA te deponeren op een substraat in lange, rechte fragmenten. Door substraatoptimalisatie kan meer en op een betere manier DNA gevangen en gebonden worden. Verdere verbetering, door aanpassing van de druppelbeweging, zorgt voor efficiënte DNA uitstrekking en binding, zelfs bij zeer lage DNA concentratie.

DNA kan recht afgezet worden via druppels, en dit voor DNA stukken van micrometers lang. Doch DNA is een 1D nanoschaal system, dat wil zeggen, de andere dimensies zijn slechts enkele nanometers groot. Daarom verdiept een vierde studie zich verder in deze DNA afzetting op oppervlaktes, door het bestuderen hiervan via tSTED (een uitbreiding van de hoge resolutie techniek STED). Door parameterisatie van de buffercomponenten werden andere interacties tussen DNA en substraat verkregen en deze werden gevisualiseerd in tSTED. Extra onderzoek toont dat de kleurstof die het DNA kleurt kan interageren met zichzelf en de STED beeldkwaliteit verlaagt. tSTED laat een bijkomstige verbetering toe. Dankzij de analyse van de typische vervaltijd van de aanwezige kleurstof is er nog een extra informatiekanaal beschikbaar dat toestaat om meer informatie te vergaren.

Deze techniek is gebaseerd op een laserscanning system, wat snelle beeldvorming toestaat. Alsook staat tSTED beeldvorming met een hoge spatiële resolutie toe. Daardoor zal videorate tSTED een doorbraak betekenen in de studie naar hoe DNA zich gedraagt en laat lineariseren in druppels, waar andere technieken dit niet kunnen.