Onderzoekers van Leibniz IPHT hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ontcijferen van kleine nano-objecten. Met behulp van speciale optische vezels identificeerden ze een nieuwe optische modus die uniforme verlichting over de gehele lengte van een vezel mogelijk maakt en bepaalden ze de resolutielimiet van individuele objecten die met vezels konden worden gemeten. Ze leggen daarmee de basis voor het met ongekende precisie waarnemen van nanodeeltjes. De resultaten van hun onderzoek werden gepubliceerd in de tijdschriften Optica en Natuurcommunicatie .

Op vezels gebaseerde methoden zijn een veelbelovende aanpak voor het karakteriseren van snel bewegende nanodeeltjes in de farmaceutische, bioanalytische en materiaalwetenschappen. In het bijzonder maakt vezelondersteunde nanodeeltjesvolganalyse (FaNTA) microscopische observatie mogelijk van individuele nano-objecten opgesloten in microkanalen van optische vezels en de nauwkeurige bepaling van hun grootteverdeling. Wetenschappers van het Leibniz Instituut voor Fotonische Technologie (Leibniz IPHT) in Jena, Duitsland, onderzoeken de mogelijkheden van de FaNTA-methode en het potentieel ervan voor een grote verscheidenheid aan toepassingen op nanoschaal.

Ontdekking van een nieuwe lichtstaat

Als onderdeel van hun onderzoek demonstreerden de onderzoekers voor het eerst een nieuwe optische modus in glasvezels. Deze modus wordt geïdentificeerd als een lichte streng, die ze beschrijven in het tijdschrift Optica , maakt een extreem homogene en constante verlichting van diffunderende nanodeeltjes langs de gehele vezel mogelijk.

Het genereren van dergelijke lichtintensiteiten in optische vezels vereist geavanceerde nanostructurering in de vorm van met vloeistof gevulde nanokanalen in de vezelkern, die kunnen worden gebruikt voor realtime detectie en tellen van nano-objecten. Om de vorming van de nieuwe modus in vezels en het voordeel ervan voor de FaNTA-methode aan te tonen, voerden de onderzoekers experimentele studies uit door een speciale optische vezel uit te rusten met een lichtgeleidend kanaal in het midden van de vezelkern met een diameter van 400 nanometer, gevuld met een vloeibare oplossing die diffunderende nano-objecten bevat.

De vezel werd vervaardigd door het bedrijf Heraeus Conamic. Wanneer licht in de vezel wordt gekoppeld, verspreidt het zich gelijkmatig langs het geïntegreerde vloeistofkanaal in de vorm van een streng. Hierdoor kan het te onderzoeken monster, inclusief de daarin aanwezige nano-objecten, intensief en uiterst homogeen worden belicht. Dankzij het licht dat door individuele nanodeeltjes wordt verstrooid, kan de dynamiek van de deeltjesobjecten met hoge precisie worden waargenomen.

"De lichtbundel gevormd door het microgestructureerde vezelontwerp maakt een ongekende uniforme verlichting mogelijk met een constante hoge lichtintensiteit in optofluïdische vezels, waardoor extreem lange en nog nauwkeurigere tracking van kleine objecten mogelijk is. Op deze manier voorkomen we de intensiteitsvariaties van licht die doorgaans optreden aan de buitenrand van een nanokanaal. Hierdoor kunnen we zelfs de kleinste nanodeeltjes consistent detecteren en zo een zeer hoge meetnauwkeurigheid bereiken”, legt prof. dr. Markus A. Schmidt uit, hoofd van de Fiber Photonics Research Department bij Leibniz IPHT, die de ontdekking deed. de nieuwe lichtmodus samen met zijn team en de vakkennis van de kwartsglasspecialisten van Heraeus.

De opgedane kennis draagt ​​bij aan de optimalisatie van de FaNTA-methode bij het detecteren van de kleinste nano-objecten. Zo kunnen snel verspreidende deeltjes in de levenswetenschappen, zoals virussen, hun aantal en grootteverdeling, maar ook chemische reacties, bijvoorbeeld bij het onderzoeken van de werkingsmechanismen van medicijnen, zeer nauwkeurig worden bepaald.

Identificatie van de kleinst meetbare nanodeeltjes

Bovendien worden observaties van extreem kleine processen en deeltjessoorten steeds belangrijker in de halfgeleiderindustrie voor de productie van microchips en de identificatie van onzuiverheden. Dankzij de FaNTA-methode kunnen deze nanoschaalprocessen op het gebied van de materiaalkunde ook met hoge precisie microscopisch worden gevolgd.

In experimentele tests met microgestructureerde optische vezels, die vloeibare microkanalen bevatten die kleine nano-objecten opsluiten, zijn Leibniz IPHT-onderzoekers erin geslaagd het kleinste deeltje dat ooit meetbaar is met FaNTA te detecteren en zo de resolutielimiet van de FaNTA-meetmethode als geheel te onderzoeken.

In hun experimenten, die ze beschrijven in het tijdschrift Nature Communications onderzochten ze mengsels met kleine deeltjes en konden zelfs extreem kleine, vrij diffunderende nanodeeltjes met een diameter van slechts 9 nanometer met hoge precisie karakteriseren. Dit is de kleinste diameter die tot nu toe voor een enkel nanodeeltje is bepaald met behulp van nanoparticle tracking-analyse.

De FaNTA-methode biedt daarmee de potentie om voorheen moeilijk toegankelijke toepassingen op nanoschaal te ontsluiten en bijvoorbeeld in de toekomst de groei van nanodeeltjes of de kwaliteitscontrole van medicijnen te kunnen monitoren.

Meer informatie: Fengji Gui et al, Lichtstrengen:onderzoek naar vlakke veldmodi in optofluidische vezels voor het volgen van afzonderlijke nano-objecten, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.486144

Torsten Wieduwilt et al, Karakterisering van diffunderende nano-objecten onder de 10 nm met behulp van optische vezels met enkele anti-resonante elementen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie , Optica

Aangeboden door Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.