I punti quantici (QD) hanno trovato così tante applicazioni negli ultimi anni, ora possono essere acquistati con una varietà di strutture e configurazioni composite. Alcuni sono disponibili sospesi in un fluido biologicamente amico, rendendoli ben pronti a fungere da biomarcatori per l'etichettatura e il monitoraggio di singole molecole. Ma supponiamo di voler intrappolare e spostare uno di questi singoli tag di nanoparticelle nello stesso modo in cui altri biologi potrebbero afferrare campioni di tessuto con una pinzetta?

Sfruttando il raggio del nano-trattore come le capacità delle pinzette ottiche, ricercatori dell'Università di Melbourne, Australia, e Huazhong University of Science and Technology, Cina, ha sviluppato una nanoantenna interamente in silicio per intrappolare singoli punti quantici sospesi in una camera microfluidica. Il gruppo presenterà il proprio lavoro a Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), tenutosi dal 17 al 21 settembre 2017 a Washington, DC.

"Pinzette ottiche convenzionali, basato su raggi laser strettamente focalizzati su piccoli punti con lenti per microscopio, consentono di movimentare i materiali in modo preciso e senza contatto, " disse Kenneth Crozier, professore all'Università di Melbourne e membro del gruppo di ricerca. "L'intrappolamento di oggetti molto piccoli è reso difficile, però, a causa del fatto che la forza di intrappolamento varia approssimativamente con il volume delle particelle, ed è piccolo rispetto all'effetto del moto browniano casuale."

Intrappolare oggetti così piccoli in un costrutto biologicamente utile è reso ancora più difficile dagli effetti termici potenzialmente distruttivi dell'utilizzo di antenne metalliche per focalizzare i campi di intrappolamento. "Qui, dimostriamo l'intrappolamento di un oggetto molto piccolo (vale a dire un punto quantico) utilizzando una nanoantenna interamente in silicio, " ha detto Crozier. "Siamo stati letteralmente in grado di vedere singoli punti quantici intrappolati dalla nostra nanoantenna, e catturare filmati che mostrano il loro movimento."

Le nuove nanoantenne, ciascuno costituito da un anello di silicio che circonda una coppia di cilindri di silicio, sono realizzati mediante litografia a fascio di elettroni e incisione con ioni reattivi. La struttura concentra la luce infrarossa utilizzata per intrappolare i punti quantici nel piccolo spazio di 50 nanometri tra i cilindri.

Crozier e il suo gruppo hanno testato la loro antenna collegando una camera microfluidica, riempito con punti quantici CdSe/ZnS sospesi in una soluzione tampone, al chip di silicio. Questo è stato montato in un microscopio ottico in cui la luce verde incidente ha stimolato la fluorescenza caratteristica dei punti quantici e una telecamera CCD ha catturato l'intrappolamento in azione.

"Dalle simulazioni che abbiamo fatto prima degli esperimenti, ci aspettavamo che funzionasse, ma non eravamo sicuri, " Ha detto Crozier. "Quindi è stato molto emozionante vedere i singoli punti quantici intrappolati quando abbiamo effettivamente fatto gli esperimenti". Con un frame rate di 30 fotogrammi al secondo, sono stati in grado di videoregistrare l'intrappolamento di un singolo punto quantico fluorescente da parte di un'antenna al silicio sul loro chip accoppiato microfluidico.

"Abbiamo usato basse concentrazioni di particelle perché volevamo essere sicuri di avere a che fare con singoli punti quantici, " disse Zhe "Kelvin" Xu, uno studente di dottorato presso l'Università di Melbourne che ha eseguito gli esperimenti. "Ciò significava che in genere dovevamo aspettare un po' per ogni evento di intrappolamento dei punti quantici, nell'ordine di un'ora. E ovviamente questo significa che dovevamo essere molto attenti durante gli esperimenti per non perdere questi eventi di cattura".

Infatti, le basse concentrazioni di punti quantici che hanno richiesto tale pazienza evidenziano un problema più generale nel biorilevamento che il loro nuovo approccio di intrappolamento potrebbe essere in grado di risolvere. Secondo Crozier, un problema classico con i nanosensori che rilevano sostanze a basse concentrazioni è che la piccola area di rilevamento limita la velocità con cui le molecole vengono consegnate. Ora con il potere della forza (ottica), un potenziale utilizzo delle nanoantenne sarebbe quello di aumentare il flusso di molecole o altri oggetti sui nanosensori.

"Essere in grado di osservare direttamente il processo di intrappolamento tramite il nostro microscopio ci ha portato a chiederci se applicarlo ad altri nanomateriali, " ha detto Crozier. Guardando alle applicazioni future, il mondo dei nanosensori ha ancora molto da esplorare. "Sarebbe molto eccitante intrappolare una singola molecola biologica con la nostra antenna, e di osservare direttamente questo processo di cattura. Ciò potrebbe anche fornire informazioni utili che potrebbero aiutare l'applicazione dei nanosensori".