Quantum dots (QDs) har hittat så många applikationer de senaste åren, de kan nu köpas med en mängd olika sammansatta strukturer och konfigurationer. Vissa finns tillgängliga suspenderade i en biologiskt vänlig vätska, vilket gör dem väl rustade att fungera som biomarkörer för märkning och spårning av en enda molekyl. Men anta att du ville fånga och flytta en av dessa enskilda nanopartikeltaggar på samma sätt som andra biologer kan ta vävnadsprover med en pincett?

Utnyttja den nano-traktor-liknande förmågan hos en optisk pincett, forskare från University of Melbourne, Australien, och Huazhong University of Science and Technology, Kina, utvecklat en helkisel nanoantenn för att fånga individuella kvantprickar upphängda i en mikrofluidkammare. Gruppen kommer att presentera sitt arbete på Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), hölls 17-21 september 2017 i Washington, DC.

"Konventionell optisk pincett, baserad på laserstrålar tätt fokuserade på små fläckar med mikroskoplinser, tillåta material att hanteras på ett exakt och beröringsfritt sätt, sa Kenneth Crozier, en professor vid University of Melbourne och medlem av forskargruppen. "Fångningen av mycket små föremål försvåras, dock, på grund av att fångstkraften varierar ungefär med partikelvolymen, och är liten jämfört med effekten av slumpmässig Brownsk rörelse."

Att fånga sådana små föremål i en biologiskt användbar konstruktion görs ännu svårare av de potentiellt destruktiva termiska effekterna av att använda metallantenner för att fokusera fångstfälten. "Här, vi demonstrerar infångningen av ett mycket litet föremål (nämligen en kvantprick) med en nanoantenn av helt kisel, " sa Crozier. "Vi kunde bokstavligen se enstaka kvantprickar fångade av vår nanoantenn, och fånga filmer som visar deras rörelse."

De nya nanoantennerna, som var och en består av en kiselring som omger ett par kiselcylindrar, tillverkas genom elektronstrålelitografi och reaktiv jonetsning. Strukturen koncentrerar det infraröda ljuset som används för att fånga in kvantprickarna i det lilla 50 nanometer gapet mellan cylindrarna.

Crozier och hans grupp testade sin antenn genom att fästa en mikrofluidkammare, fylld med CdSe/ZnS kvantprickar suspenderade i en buffertlösning, till silikonchippet. Detta monterades i ett optiskt mikroskop där infallande grönt ljus stimulerade kvantpricksignaturfluorescensen och en CCD-kamera fångade fångsten i aktion.

"Från simuleringarna vi gjorde innan experimenten, vi förväntade oss att det skulle fungera, men vi var inte säkra, " sa Crozier. "Så det var väldigt spännande att se de individuella kvantprickarna fångas när vi faktiskt gjorde experimenten." Med en bildhastighet på 30 bilder per sekund, de kunde filma infångningen av en enda fluorescerande kvantprick av en kiselantenn på deras mikrofluidkopplade chip.

"Vi använde låga koncentrationer av partiklar eftersom vi ville se till att vi hade att göra med enstaka kvantprickar, " sa Zhe "Kelvin" Xu, en doktorand vid University of Melbourne som utförde experimenten. "Det innebar att vi i allmänhet var tvungna att vänta ett tag på varje kvantpunktsfångningshändelse, i storleksordningen en timme. Och detta betyder naturligtvis att vi behövde vara mycket uppmärksamma under experimenten för att inte missa dessa fångsthändelser."

Faktiskt, de låga koncentrationerna av kvantprickar som krävde sådant tålamod belyser ett mer generellt problem i biosensing som deras nya fångstmetoder kanske skulle kunna lösa. Enligt Crozier, ett klassiskt problem med nanosensorer som upptäcker ämnen i låga koncentrationer är att det lilla avkänningsområdet begränsar hastigheten med vilken molekyler levereras. Nu med kraften av den (optiska) kraften, en potentiell användning för nanoantennerna skulle vara att öka flödet av molekyler eller andra föremål på nanosensorer.

"Att direkt kunna observera fångstprocessen via vårt mikroskop fick oss att undra över att tillämpa detta på andra nanomaterial, " sa Crozier. Med tanke på framtida ansökningar, världen av nanosensing har mycket ännu att utforskas. "Det skulle vara väldigt spännande att fånga en enda biologisk molekyl med vår antenn, och att direkt observera denna fångstprocess. Detta kan också ge användbar information som skulle hjälpa nanosensorapplikationen."