Forskere undersøger nye fysiske fænomener på nanoskala med mikrostrukturerede fibre

Forskere ved Leibniz IPHT har gjort betydelige fremskridt med at dechifrere små nanoobjekter. Ved hjælp af specielle optiske fibre identificerede de en ny optisk tilstand, der muliggør ensartet belysning langs hele længden af ​​en fiber og bestemte opløsningsgrænsen for individuelle objekter, der kunne måles med fibre. De danner således grundlaget for at observere nanopartikler med hidtil uset præcision. Resultaterne af deres undersøgelser blev offentliggjort i tidsskrifterne Optica og Nature Communications .

Fiberbaserede metoder er en lovende tilgang til karakterisering af hurtigt bevægende nanopartikler inden for lægemidler, bioanalytik og materialevidenskab. Især giver fiber-assisteret nanopartikelsporingsanalyse (FaNTA) mikroskopisk observation af individuelle nanoobjekter indespærret i mikrokanaler af optiske fibre og den præcise bestemmelse af deres størrelsesfordeling. Forskere ved Leibniz Institut for Fotonisk Teknologi (Leibniz IPHT) i Jena, Tyskland, forsker i mulighederne for FaNTA-metoden og dens potentiale for en bred vifte af applikationer i nanoskala.

Opdagelse af en ny lystilstand

Som en del af deres forskning demonstrerede forskerne en ny optisk tilstand i glasfibre for første gang. Denne tilstand, identificeret som en lysstreng, som de beskriver i tidsskriftet Optica , muliggør ekstremt homogen og konstant belysning af diffuserende nanopartikler langs hele fiberen.

At generere sådanne lysintensiteter i optiske fibre kræver sofistikeret nanostrukturering i form af væskefyldte nanokanaler i fiberkernen, som kan bruges til realtidsdetektion og optælling af nanoobjekter. For at demonstrere dannelsen af ​​den nye tilstand i fibre og dens fordel for FaNTA-metoden, udførte forskerne eksperimentelle undersøgelser ved at udstyre en speciel optisk fiber med en lysledende kanal i midten af ​​fiberkernen med en diameter på 400 nanometer, fyldt med en flydende opløsning, der indeholder diffuserende nanoobjekter.

Fiberen er fremstillet af firmaet Heraeus Conamic. Når lys kobles ind i fiberen, spredes det jævnt langs den integrerede væskekanal i form af en streng. Som et resultat heraf kan prøven, der skal undersøges, inklusive nanoobjekterne indeholdt deri, belyses intensivt og ekstremt homogent. Lyset spredt af individuelle nanopartikler gør det muligt at observere dynamikken i partikelobjekterne med høj præcision.

"Lysstrengen formet af det mikrostrukturerede fiberdesign muliggør en hidtil uset ensartet belysning med konstant høj lysintensitet i optofluidfibre, hvilket muliggør ekstrem lang og endnu mere præcis sporing af bittesmå objekter. På denne måde forhindrer vi de intensitetsvariationer af lys, der typisk forekommer ved den ydre kant af en nanokanal Dette giver os mulighed for konsekvent at detektere selv de mindste nanopartikler og dermed opnå en meget høj målenøjagtighed," forklarer prof. Dr. Markus A. Schmidt, leder af Fiber Photonics Research Department hos Leibniz IPHT, som afslørede. den nye lystilstand sammen med sit team og ekspertviden fra kvartsglasspecialisterne hos Heraeus.

Den opnåede viden bidrager til optimering af FaNTA-metoden til detektion af de mindste nanoobjekter. For eksempel kan hurtigt diffuserende partikler i biovidenskaberne, såsom vira, deres antal og størrelsesfordeling, samt kemiske reaktioner, for eksempel ved undersøgelse af lægemidlers virkningsmekanismer, bestemmes meget præcist.

Identifikation af de mindste målbare nanopartikler

Derudover bliver observationer af ekstremt små processer og partikelarter stadig vigtigere i halvlederindustrien til fremstilling af mikrochips og identifikation af urenheder. FaNTA-metoden gør det også muligt at spore disse processer i nanoskala inden for materialevidenskab mikroskopisk med høj præcision.

I eksperimentelle test med mikrostrukturerede optiske fibre, der indeholder fluidiske mikrokanaler, der begrænser små nanoobjekter, lykkedes det for Leibniz IPHT-forskere at detektere den mindste partikel, der nogensinde kunne måles med FaNTA, og dermed udforske opløsningsgrænsen for FaNTA-målemetoden som helhed.

I deres eksperimenter, som de beskriver i tidsskriftet Nature Communications , undersøgte de blandinger med bittesmå partikler og var i stand til at karakterisere selv ekstremt små, frit diffuserende nanopartikler med en diameter på kun 9 nanometer med høj præcision. Dette er den mindste diameter, der hidtil er blevet bestemt for en enkelt nanopartikel ved hjælp af nanopartikelsporingsanalyse.

FaNTA-metoden giver således mulighed for at åbne op for applikationer i nanoskala, som tidligere var svære at få adgang til, og for eksempel at kunne overvåge væksten af ​​nanopartikler eller kvalitetskontrollen af ​​lægemidler i fremtiden.

Flere oplysninger: Fengji Gui et al., Lysstrenge:udforskning af fladfeltstilstande i optofluidiske fibre til sporing af enkelte nanoobjekter, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.486144

Torsten Wieduwilt et al., Karakterisering af diffuserende sub-10 nm nano-objekter ved hjælp af enkelt anti-resonant element optiske fibre, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3

Journaloplysninger: Nature Communications , Optica

Leveret af Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.