Quantum dots (QD's) hebben de afgelopen jaren zoveel toepassingen gevonden, ze kunnen nu worden gekocht met een verscheidenheid aan composietstructuren en configuraties. Sommige zijn beschikbaar gesuspendeerd in een biologisch vriendelijke vloeistof, waardoor ze goed geschikt zijn om te dienen als biomarkers voor tagging en tracking van één molecuul. Maar stel dat je een van deze enkele nanodeeltjestags wilt vangen en verplaatsen op dezelfde manier als andere biologen weefselmonsters zouden kunnen pakken met een pincet?

Gebruikmakend van de nano-tractorstraal-achtige mogelijkheden van optische pincetten, onderzoekers van de Universiteit van Melbourne, Australië, en Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie, China, ontwikkelde een volledig siliconen nanoantenne om individuele kwantumdots te vangen die in een microfluïdische kamer zijn opgehangen. De groep zal hun werk presenteren op Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), gehouden van 17-21 september 2017 in Washington, gelijkstroom.

"Conventioneel optisch pincet, gebaseerd op laserstralen strak gericht op kleine vlekken met microscooplenzen, zorgen voor een nauwkeurige en contactloze omgang met materialen, " zei Kenneth Crozier, een professor aan de Universiteit van Melbourne en lid van het onderzoeksteam. "Het vangen van zeer kleine objecten wordt moeilijk gemaakt, echter, vanwege het feit dat de vangkracht ongeveer varieert met het deeltjesvolume, en is klein vergeleken met het effect van willekeurige Brownse beweging."

Het vangen van dergelijke kleine objecten in een biologisch bruikbare constructie wordt nog moeilijker gemaakt door de potentieel destructieve thermische effecten van het gebruik van metalen antennes om de vangvelden te focussen. "Hier, we demonstreren het vangen van een heel klein object (namelijk een kwantumdot) met behulp van een volledig silicium nanoantenne, " zei Crozier. "We waren letterlijk in staat om enkele kwantumdots te zien die gevangen werden door onze nanoantenne, en leg films vast die hun beweging laten zien."

De nieuwe nanoantennes, die elk bestaan ​​uit een siliconenring die een paar siliconencilinders omgeeft, worden gemaakt door elektronenstraallithografie en reactief ionenetsen. De structuur concentreert het infraroodlicht dat wordt gebruikt om de kwantumstippen te vangen in de kleine opening van 50 nanometer tussen de cilinders.

Crozier en zijn groep testten hun antenne door een microfluïdische kamer te bevestigen, gevuld met CdSe/ZnS quantum dots gesuspendeerd in een bufferoplossing, naar de siliciumchip. Dit werd gemonteerd in een optische microscoop waar invallend groen licht de fluorescentie van de kwantumdots-signatuur stimuleerde en een CCD-camera de vangst in actie vastlegde.

"Van de simulaties die we voor de experimenten deden, we hadden verwacht dat het zou werken, maar we waren niet zeker, "Zei Crozier. "Dus het was heel opwindend om te zien hoe de individuele kwantumstippen werden gevangen toen we de experimenten daadwerkelijk deden." Met een framesnelheid van 30 frames per seconde, ze waren in staat om het vangen van een enkele fluorescerende kwantumstip door een siliciumantenne op hun microfluïdische gekoppelde chip te filmen.

"We gebruikten lage concentraties deeltjes omdat we zeker wilden weten dat we te maken hadden met enkele kwantumstippen, " zei Zhe "Kelvin" Xu, een promovendus aan de Universiteit van Melbourne die de experimenten uitvoerde. "Dat betekende dat we over het algemeen een tijdje moesten wachten op elke quantum dot trapping-gebeurtenis, in de orde van één uur. En dit betekent natuurlijk dat we erg oplettend moesten zijn tijdens experimenten om deze trapping-evenementen niet te missen."

In feite, de lage concentraties kwantumstippen die zo'n geduld vereisten, wijzen op een meer algemeen probleem bij het biosensen van hun nieuwe vangmethode die ze zouden kunnen oplossen. Volgens Crozier, een klassiek probleem met nanosensoren die stoffen in lage concentraties detecteren, is dat het kleine detectiegebied de snelheid beperkt waarmee moleculen worden afgeleverd. Nu met de kracht van de (optische) kracht, een potentieel gebruik voor de nanoantennes zou zijn om de flux van moleculen of andere objecten op nanosensoren te vergroten.

"Omdat we het vangproces rechtstreeks via onze microscoop konden observeren, vroegen we ons af of we dit ook op andere nanomaterialen konden toepassen, " zei Crozier. Kijkend naar toekomstige toepassingen, de wereld van nanosensing moet nog veel worden verkend. "Het zou heel spannend zijn om een ​​enkel biologisch molecuul te vangen met onze antenne, en om dit vangproces direct te observeren. Dit kan ook nuttige informatie opleveren die de toepassing van nanosensoren zou helpen."