Forskare vid Leibniz IPHT har gjort betydande framsteg när det gäller att dechiffrera små nanoobjekt. Med hjälp av speciella optiska fibrer identifierade de ett nytt optiskt läge som möjliggör enhetlig belysning längs hela längden av en fiber och bestämde upplösningsgränsen för enskilda objekt som kunde mätas med fibrer. De lägger därmed grunden för att observera nanopartiklar med oöverträffad precision. Resultaten av deras studier publicerades i tidskrifterna Optica och Nature Communications .
Fiberbaserade metoder är ett lovande tillvägagångssätt för att karakterisera snabbrörliga nanopartiklar inom läkemedel, bioanalytik och materialvetenskap. Speciellt möjliggör fiberassisterad nanopartikelspårningsanalys (FaNTA) mikroskopisk observation av individuella nanoobjekt inneslutna i mikrokanaler av optiska fibrer och exakt bestämning av deras storleksfördelning. Forskare vid Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) i Jena, Tyskland, forskar om möjligheterna med FaNTA-metoden och dess potential för en mängd olika tillämpningar i nanoskala.
Som en del av sin forskning visade forskarna för första gången ett nytt optiskt läge i glasfibrer. Detta läge, identifierat som en lätt tråd, som de beskriver i tidskriften Optica , möjliggör extremt homogen och konstant belysning av spridande nanopartiklar längs hela fibern.
Att generera sådana ljusintensiteter i optiska fibrer kräver sofistikerad nanostrukturering i form av vätskefyllda nanokanaler i fiberkärnan, som kan användas för realtidsdetektering och räkning av nanoobjekt. För att demonstrera bildandet av det nya läget i fibrer och dess fördel för FaNTA-metoden, utförde forskarna experimentella studier genom att utrusta en speciell optisk fiber med en ljusledande kanal i centrum av fiberkärnan med en diameter på 400 nanometer, fylld med en flytande lösning som innehåller diffuserande nanoobjekt.
Fibern tillverkades av företaget Heraeus Conamic. När ljus kopplas in i fibern sprids det jämnt längs den integrerade vätskekanalen i form av en sträng. Som ett resultat kan provet som ska undersökas, inklusive nanoobjekten som finns däri, belysas intensivt och extremt homogent. Ljuset som sprids av individuella nanopartiklar gör att dynamiken hos partikelobjekten kan observeras med hög precision.
"Ljussträngen som formas av den mikrostrukturerade fiberdesignen möjliggör en oöverträffad enhetlig belysning med konstant hög ljusintensitet i optofluidfibrer, vilket möjliggör extremt lång och ännu mer exakt spårning av små föremål. På så sätt förhindrar vi ljusets intensitetsvariationer som vanligtvis uppstår vid ytterkanten av en nanokanal Detta gör att vi kan detektera även de minsta nanopartiklarna konsekvent och därmed uppnå mycket hög mätnoggrannhet, förklarar Prof. Dr. Markus A. Schmidt, chef för Fiber Photonics Research Department vid Leibniz IPHT, som avslöjade. det nya ljusläget tillsammans med sitt team och expertkunskapen hos kvartsglasspecialisterna på Heraeus.
Den inhämtade kunskapen bidrar till att optimera FaNTA-metoden vid detektering av de minsta nanoobjekten. Till exempel kan snabbt spridande partiklar inom biovetenskapen, såsom virus, deras antal och storleksfördelning, samt kemiska reaktioner, till exempel när man undersöker läkemedels verkningsmekanismer, bestämmas mycket exakt.
Dessutom blir observationer av extremt små processer och partikelarter allt viktigare inom halvledarindustrin för framställning av mikrochips och identifiering av föroreningar. FaNTA-metoden tillåter också att dessa processer i nanoskala inom materialvetenskap kan spåras mikroskopiskt med hög precision.
I experimentella tester med mikrostrukturerade optiska fibrer, innehållande vätskemikrokanaler som begränsar små nanoobjekt, lyckades Leibniz IPHT-forskare detektera den minsta partikel som någonsin kunnat mätas med FaNTA och därmed utforska upplösningsgränsen för FaNTA-mätmetoden som helhet.
I sina experiment, som de beskriver i tidskriften Nature Communications , undersökte de blandningar med små partiklar och kunde karakterisera även extremt små, fritt spridande nanopartiklar med en diameter på endast 9 nanometer med hög precision. Detta är den minsta diametern som hittills har bestämts för en enskild nanopartikel med hjälp av nanopartikelspårningsanalys.
FaNTA-metoden ger alltså potential att öppna upp applikationer i nanoskala som tidigare var svåra att komma åt och att till exempel kunna följa tillväxten av nanopartiklar eller kvalitetskontrollen av läkemedel i framtiden.
Mer information: Fengji Gui et al, Ljussträngar:utforska plattfältslägen i optofluidiska fibrer för att spåra enstaka nanoobjekt, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.486144
Torsten Wieduwilt et al., Karakterisering av spridande nanoobjekt under 10 nm med användning av optiska fibrer med enkla antiresonanselement, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3
Journalinformation: Nature Communications , Optica
Tillhandahålls av Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
