science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Fotoluminescente nanostaafjes gebruiken als ultieme sondes van vloeistofstroom

Schematische illustratie van het microfluïdische kanaal (hierboven) en het experimentele resultaat verkregen met behulp van de nanostaafjes (hieronder, links) wat goed overeenkomt met het rekenresultaat (hieronder, Rechtsaf). Credit:Universiteit van Amsterdam (UVA)

Een Frans-Nederlandse internationale samenwerking met onderzoekers van de laboratoria van de gecondenseerde materie fysica en hydrodynamica van de Paris-Saclay University en het Van't Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam heeft geresulteerd in een nieuwe methode voor zeer nauwkeurige bepaling van vloeistofstroom in capillaire netwerken in realtime. Hun proof-of-principle is gepubliceerd in de editie van deze week van Natuur Nanotechnologie .

Bij HIMS Fred Brouwer, hoogleraar spectroscopie en fotonische materialen, samen met onderzoekstechnicus Michiel Hilbers droeg bij met confocale beeldvorming en metingen van enkelvoudige deeltjes van de nanostaafjes. De samenwerking werd ondersteund door LaserLab Europe.

De studie van vloeistofstroming in capillaire netwerken is voor veel gebieden relevant. Als voorbeeld, de bepaling van de bloedcirculatie in slagaders is een belangrijk aspect van de studie van plaquevorming bij atherosclerose. Hoewel hydrodynamische simulaties belangrijke informatie kunnen opleveren, experimentele studies zijn nodig voor de uiteindelijke bevestiging.

Echter, Het karakteriseren van stromen op de schaal van enkele honderden nanometers is nogal moeilijk. De huidige techniek van particle imaging velocimetry (PIV), het volgen van de verplaatsingen van fluorescerende microsferen, kan praktisch niet worden gebruikt voor lokale real-time observatie van dynamische systemen. Verder, in het geval van snelheidsgradiënten (shear) die gebruikelijk zijn in capillaire netwerken, PIV vertoont slechte signaal-ruisverhoudingen en een geringe ruimtelijke resolutie.

in hun Natuur Nanotechnologie papier, het Frans-Nederlandse onderzoeksteam meldt nu het gebruik van nanostaafjes in plaats van bollen. Ze laten zien dat onmiddellijke detectie van de collectieve oriëntatie van de nanostaafjes in een klein brandpuntsvolume de directe meting en snelle scan van de lokale afschuifsnelheid mogelijk maakt. Als proof of concept demonstreren ze tomografische mapping van de shear distributie in een microfluïdisch modelsysteem met behulp van scanning confocale microscopie.

De onderzoekers synthetiseerden nanostaafjes van lanthaanfosfaat (LaPO4) kristallen, gedoteerd met lichtgevende europium (Eu3+) ionen. Als boomstammen die op een rivier drijven, zijn deze nanostaafjes, 10 nm in diameter en 200 nm in lengte, oriënteren zich geleidelijk in de richting van de stroom. Dankzij de sterk gepolariseerde lichtemissie-eigenschappen van de europium-ionen kon hun ruimtelijke oriëntatie worden getraceerd door middel van hun emissiespectrum. Dus, het werd mogelijk om te analyseren, in realtime en met een ongeëvenaarde resolutie, de stroom van een vloeistof in een klein microfluïdisch kanaal.

Dit werk opent veelbelovende perspectieven voor het fundamentele begrip van fenomenen die verband houden met de stroming van een vloeistof in complexe kanalen. Achter dit, deze oriëntatiesondes zouden ook in de biologie kunnen worden gebruikt, in-situ complexe mechanismen met betrekking tot de oriëntatiedynamiek van bio-macromoleculen volgen om hun eigenschappen en werkingsmechanismen te verklaren.