I ricercatori del Leibniz IPHT hanno fatto progressi significativi nella decifrazione di minuscoli nano-oggetti. Utilizzando speciali fibre ottiche, hanno identificato una nuova modalità ottica che consente un'illuminazione uniforme lungo l'intera lunghezza di una fibra e hanno determinato il limite di risoluzione dei singoli oggetti che potrebbero essere misurati con le fibre. Gettano così le basi per osservare le nanoparticelle con una precisione senza precedenti. I risultati dei loro studi sono stati pubblicati sulle riviste Optica e Comunicazioni sulla natura .
I metodi basati sulle fibre rappresentano un approccio promettente per caratterizzare le nanoparticelle in rapido movimento nel settore farmaceutico, bioanalitico e nelle scienze dei materiali. In particolare, l'analisi di tracciamento delle nanoparticelle assistita da fibre (FaNTA) consente l'osservazione al microscopio di singoli nanooggetti confinati in microcanali di fibre ottiche e la determinazione precisa della loro distribuzione dimensionale. Gli scienziati del Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) di Jena, in Germania, stanno studiando le possibilità del metodo FaNTA e il suo potenziale per un'ampia varietà di applicazioni su scala nanometrica.
Nell'ambito della loro ricerca, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta una nuova modalità ottica nelle fibre di vetro. Questa modalità, identificata come un filo di luce, che descrivono nella rivista Optica , consente un'illuminazione estremamente omogenea e costante delle nanoparticelle diffondenti lungo l'intera fibra.
La generazione di tali intensità di luce nelle fibre ottiche richiede una sofisticata nanostrutturazione sotto forma di nanocanali riempiti di liquido nel nucleo della fibra, che possono essere utilizzati per il rilevamento e il conteggio in tempo reale di nanooggetti. Per dimostrare la formazione del nuovo modo nelle fibre e il suo vantaggio per il metodo FaNTA, i ricercatori hanno effettuato studi sperimentali dotando una speciale fibra ottica di un canale conduttore di luce al centro del nucleo della fibra con un diametro di 400 nanometri, riempito con una soluzione liquida che contiene nano-oggetti diffondenti.
La fibra è stata prodotta dalla società Heraeus Conamic. Quando la luce viene accoppiata nella fibra, si diffonde uniformemente lungo il canale del fluido integrato sotto forma di un filo. In questo modo il campione da esaminare, compresi i nanooggetti in esso contenuti, può essere illuminato in modo intenso ed estremamente omogeneo. La luce diffusa dalle singole nanoparticelle consente di osservare con elevata precisione la dinamica degli oggetti particella.
"Il filo di luce formato dal design della fibra microstrutturata consente un'illuminazione uniforme senza precedenti con un'elevata intensità luminosa costante nelle fibre optofluidiche, consentendo un tracciamento estremamente lungo e ancora più preciso di oggetti minuscoli. In questo modo, evitiamo le variazioni di intensità della luce che tipicamente si verificano sul bordo esterno di un nanocanale questo ci permette di rilevare in modo coerente anche le nanoparticelle più piccole e quindi di ottenere una precisione di misurazione molto elevata", spiega il Prof. Dr. Markus A. Schmidt, capo del dipartimento di ricerca sulla fotonica delle fibre presso Leibniz IPHT, che ha scoperto. la nuova modalità luce insieme al suo team e la conoscenza approfondita degli specialisti del vetro al quarzo di Heraeus.
Le conoscenze acquisite contribuiscono all'ottimizzazione del metodo FaNTA nel rilevamento dei nanooggetti più piccoli. Ad esempio, nelle scienze della vita le particelle che si diffondono rapidamente, come i virus, il loro numero e la loro distribuzione dimensionale, nonché le reazioni chimiche, ad esempio quando si studiano i meccanismi d'azione dei farmaci, possono essere determinati in modo molto preciso.
Inoltre, l'osservazione di processi e specie di particelle estremamente piccole sta diventando sempre più importante nell'industria dei semiconduttori per la produzione di microchip e l'identificazione di impurità. Il metodo FaNTA consente inoltre di tracciare microscopicamente con elevata precisione questi processi su scala nanometrica nel campo della scienza dei materiali.
Nei test sperimentali con fibre ottiche microstrutturate, contenenti microcanali fluidi che confinano minuscoli nano-oggetti, i ricercatori Leibniz IPHT sono riusciti a rilevare la particella più piccola mai misurabile con FaNTA e quindi a esplorare il limite di risoluzione del metodo di misurazione FaNTA nel suo complesso.
Nei loro esperimenti, che descrivono nella rivista Nature Communications , hanno studiato miscele con particelle minuscole e sono stati in grado di caratterizzare con elevata precisione anche nanoparticelle estremamente piccole e a diffusione libera con un diametro di soli 9 nanometri. Questo è il diametro più piccolo finora determinato per una singola nanoparticella utilizzando l'analisi di tracciamento delle nanoparticelle.
Il metodo FaNTA offre quindi il potenziale per aprire applicazioni su scala nanometrica a cui prima era difficile accedere e, ad esempio, per poter monitorare in futuro la crescita delle nanoparticelle o il controllo di qualità dei medicinali.
Ulteriori informazioni: Fengji Gui et al, Fili leggeri:esplorazione delle modalità flat-field nelle fibre optofluidiche per il tracciamento di singoli nano-oggetti, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.486144
Torsten Wieduwilt et al, Caratterizzazione di nano-oggetti diffondenti di dimensioni inferiori a 10 nm utilizzando fibre ottiche a singolo elemento anti-risonante, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura , Ottica
Fornito da Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
