Optimal vej:sporing af fluorescerende nanopartikler ved hjælp af laser

(Phys.org) —NIST Center for Nanoscale Science and Technology -forskere Gregg Gallatin og Andrew Berglund (nu på Quantifind i Palo Alto, CA) har bestemt den optimale vej til at scanne en laserstråle for at spore en fluorescerende nanopartikel, når partiklen bevæger sig inde i en væske eller gas i to eller tre dimensioner.

Evnen til nøjagtigt at spore nanopartikler er yderst nyttig i biologi, i væskedynamik på nanoskala, og i nanoteknologi generelt. I biologi, for eksempel, hvis en eller flere fluorescerende nanopartikler er knyttet til et protein inde i en celle, kan positionen og orienteringen af ​​dette protein spores, mens det udfører sine funktioner inde i cellen. Ved nanofabrikation, mange teknikker involverer nanopartikler eller nanostrukturer, der smelter sammen for at danne nyttige materialer eller enheder, og optimering af disse processer kræver nøjagtige data om, hvordan disse nanostrukturer bevæger sig. Den vej, som forskerne har udledt, anses for at være optimal, fordi den giver de mest nøjagtige data om nanopartiklernes position som funktion af tiden.

Forskerne udviklede en simpel formel til at bestemme den samlede positionsnøjagtighed som en funktion af forskellige standard laserstråleparametre såsom stråleintensitet og strålestørrelse. Formlen for den optimale vej blev udledt ved hjælp af en klassisk matematisk teknik, beregningen af ​​variationer, og den resulterende løsning blev verificeret ved at vise, at den opfylder betingelserne for global optimalitet (dvs. det er den bedste løsning blandt alle mulige løsninger) ved hjælp af teorien om optimalt eksperimentelt design. Positionsnøjagtigheden blev bestemt ved hjælp af klassiske statistiske metoder. Interessant nok, selvom stien kan være glat i to dimensioner, i tre dimensioner skal strålen hoppe for at opnå optimalitet.

Mens nøjagtighedsformlen blev udledt for den mest almindelige laserstråleform, en Gauss, forskerne udvider arbejdet for at vise, hvordan ændring af laserstrålens form kan forbedre sporingsnøjagtigheden yderligere.