Brug af fotoluminescerende nanorods som ultimative prober for væskeflow

Et fransk-hollandsk internationalt samarbejde, der involverer forskere fra laboratorierne for kondenseret stoffysik og hydrodynamik ved Paris-Saclay University og Van't Hoff Institute for Molecular Sciences ved University of Amsterdam har resulteret i en ny metode til meget præcis bestemmelse af væskeflow i kapillarnetværk i realtid. Deres proof-of-princip er offentliggjort i denne uges udgave af Natur nanoteknologi .

Hos HIMS Fred Brouwer, professor i spektroskopi og fotoniske materialer, sammen med forskningstekniker Michiel Hilbers bidrog med konfokal billeddannelse og enkeltpartikelmålinger af nanoroderne. Samarbejdet blev støttet af LaserLab Europe.

Studiet af væskestrømning i kapillærnetværk er relevant for mange felter. Som et eksempel, bestemmelsen af ​​blodcirkulationen i arterier er et vigtigt aspekt af studiet af plakdannelse ved åreforkalkning. Selvom hydrodynamiske simuleringer kan give vigtig information, eksperimentelle undersøgelser er nødvendige for den endelige bekræftelse.

Imidlertid, karakterisering af strømme på skalaen af ​​nogle få hundrede nanometer er ret vanskeligt. Den nuværende teknik til partikelbilleddannelseshastighed (PIV), sporing af forskydninger af fluorescerende mikrosfærer, kan praktisk talt ikke bruges til lokal realtidsobservation af dynamiske systemer. Desuden, i tilfælde af hastighedsgradienter (shear), der er fælles for kapillærnetværk, PIV viser dårlige signal-til-støj-forhold og ringe rumlig opløsning.

I deres Natur nanoteknologi papir, det fransk-hollandske forskerhold rapporterer nu brugen af ​​nanorods frem for kugler. De viser, at øjeblikkelig påvisning af den kollektive orientering af nanoroderne i et lille brændvidde muliggør direkte måling og hurtig scanning af den lokale forskydningshastighed. Som et proof of concept demonstrerer de tomografisk kortlægning af forskydningsfordelingen i et mikrofluidisk modelsystem ved hjælp af scanning konfokal mikroskopi.

Forskerne syntetiserede nanorods af lanthanphosphat (LaPO4) krystaller, doteret med selvlysende europium (Eu3+) ioner. Som træstammer flyder disse nanorods på en flod, 10 nm i diameter og 200 nm i længden, gradvist orientere sig langs strømningsretningen. Takket være europium-ionernes stærkt polariserede lysemissionsegenskaber kunne deres rumlige orientering spores ved hjælp af deres emissionsspektrum. Dermed, blev det muligt at analysere, i realtid og med uovertruffen opløsning, strømmen af ​​en væske i en lille mikrofluidisk kanal.

Dette arbejde åbner lovende perspektiver for den grundlæggende forståelse af fænomener relateret til strømmen af ​​en væske i komplekse kanaler. Ud over dette, disse orienteringsprober kunne også bruges i biologi, at følge in-situ komplekse mekanismer relateret til orienteringsdynamikken af ​​bio-makromolekyler for at forklare deres egenskaber og deres virkemåder.