Los investigadores del Leibniz IPHT han logrado avances significativos en el desciframiento de pequeños nanoobjetos. Utilizando fibras ópticas especiales, identificaron un nuevo modo óptico que permite una iluminación uniforme a lo largo de toda la fibra y determinaron el límite de resolución de objetos individuales que podrían medirse con fibras. De este modo, sientan las bases para observar nanopartículas con una precisión sin precedentes. Los resultados de sus estudios fueron publicados en las revistas Optica y Comunicaciones de la Naturaleza .
Los métodos basados en fibras son un enfoque prometedor para caracterizar nanopartículas de rápido movimiento en productos farmacéuticos, bioanálisis y ciencias de materiales. En particular, el análisis de seguimiento de nanopartículas asistido por fibra (FaNTA) permite la observación microscópica de nanoobjetos individuales confinados en microcanales de fibras ópticas y la determinación precisa de su distribución de tamaño. Los científicos del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT) en Jena, Alemania, están investigando las posibilidades del método FaNTA y su potencial para una amplia variedad de aplicaciones a nanoescala.
Como parte de su investigación, los investigadores demostraron por primera vez un nuevo modo óptico en fibras de vidrio. Este modo, identificado como un hilo de luz, que describen en la revista Optica , permite una iluminación extremadamente homogénea y constante de las nanopartículas que se difunden a lo largo de toda la fibra.
Generar tales intensidades de luz en fibras ópticas requiere una nanoestructuración sofisticada en forma de nanocanales llenos de líquido en el núcleo de la fibra, que pueden usarse para la detección y el recuento de nanoobjetos en tiempo real. Para demostrar la formación del nuevo modo en las fibras y sus ventajas para el método FaNTA, los investigadores llevaron a cabo estudios experimentales equipando una fibra óptica especial con un canal conductor de luz en el centro del núcleo de la fibra con un diámetro de 400 nanómetros. lleno de una solución líquida que contiene nanoobjetos en difusión.
La fibra fue fabricada por la empresa Heraeus Conamic. Cuando la luz se acopla a la fibra, se distribuye uniformemente a lo largo del canal de fluido integrado en forma de hebra. De este modo, la muestra a examinar, incluidos los nanoobjetos contenidos en ella, se puede iluminar de forma intensa y extremadamente homogénea. La luz dispersada por las nanopartículas individuales permite observar con alta precisión la dinámica de los objetos de partículas.
"El hilo de luz formado por el diseño de fibra microestructurada permite una iluminación uniforme sin precedentes con una alta intensidad de luz constante en fibras optofluídicas, lo que permite un seguimiento extremadamente largo e incluso más preciso de objetos pequeños. De esta manera, evitamos las variaciones de intensidad de la luz que ocurren típicamente en el borde exterior de un nanocanal. Esto nos permite detectar consistentemente incluso las nanopartículas más pequeñas y así lograr una precisión de medición muy alta", explica el Prof. Dr. Markus A. Schmidt, jefe del departamento de investigación de fotónica de fibras del Leibniz IPHT. el nuevo modo de luz junto con su equipo y el conocimiento experto de los especialistas en vidrio de cuarzo de Heraeus.
Los conocimientos adquiridos contribuyen a la optimización del método FaNTA en la detección de los nanoobjetos más pequeños. Por ejemplo, en las ciencias biológicas se pueden determinar con mucha precisión partículas que se difunden rápidamente, como los virus, su número y distribución de tamaños, así como reacciones químicas, por ejemplo al investigar los mecanismos de acción de los fármacos.
Además, en la industria de los semiconductores, las observaciones de procesos y especies de partículas extremadamente pequeñas son cada vez más importantes para la producción de microchips y la identificación de impurezas. El método FaNTA también permite seguir microscópicamente con alta precisión estos procesos a nanoescala en el campo de la ciencia de materiales.
En pruebas experimentales con fibras ópticas microestructuradas, que contienen microcanales fluídicos que confinan pequeños nanoobjetos, los investigadores de Leibniz IPHT lograron detectar la partícula más pequeña jamás medible con FaNTA y explorar así el límite de resolución del método de medición FaNTA en su conjunto.
En sus experimentos, que describen en la revista Nature Communications Investigaron mezclas con partículas diminutas y pudieron caracterizar con gran precisión incluso nanopartículas extremadamente pequeñas y que se difunden libremente, con un diámetro de tan solo 9 nanómetros. Este es el diámetro más pequeño que se ha determinado hasta ahora para una sola nanopartícula mediante análisis de seguimiento de nanopartículas.
El método FaNTA ofrece así el potencial de abrir aplicaciones a nanoescala a las que antes era difícil acceder y, por ejemplo, poder monitorizar el crecimiento de nanopartículas o el control de calidad de los medicamentos en el futuro.
Más información: Fengji Gui et al, Hilos de luz:exploración de modos de campo plano en fibras optofluídicas para rastrear nanoobjetos individuales, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.486144
Torsten Wieduwilt et al, Caracterización de nanoobjetos en difusión de menos de 10 nm utilizando fibras ópticas de un solo elemento antirresonante, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza , Óptica
Proporcionado por Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
