Kleine deeltjes vangen: een veelzijdig hulpmiddel voor nanomanipulatie

Op slechts 1 / 1000ste millimeter zijn nanodeeltjes onmogelijk met het blote oog te zien. Maar ondanks dat ze klein zijn, zijn ze op veel manieren buitengewoon belangrijk. Als wetenschappers DNA, eiwitten of virussen onder de loep willen nemen, dan is het essentieel om nanodeeltjes te kunnen isoleren en monitoren.

Het vangen van deze deeltjes houdt in dat een laserstraal strak wordt gericht op een punt dat een sterk elektromagnetisch veld produceert. Deze straal kan deeltjes vasthouden net als een pincet, maar helaas zijn er natuurlijke beperkingen aan deze techniek. Het meest opvallend zijn de groottebeperkingen – als het deeltje te klein is, werkt de techniek niet. Tot op heden hebben optische pincetten geen deeltjes zoals individuele eiwitten kunnen vasthouden, die slechts een paar nanometer in diameter zijn.

Vanwege de recente vooruitgang in nanotechnologie hebben onderzoekers van de Light-Matter Interactions for Quantum Technologies Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) een techniek ontwikkeld voor het nauwkeurig vangen van nanodeeltjes. In deze studie overwonnen ze de natuurlijke beperkingen door optische pincetten te ontwikkelen op basis van metamaterialen – een synthetisch materiaal met specifieke eigenschappen die niet van nature voorkomen. Het was voor het eerst dat dit soort metamateriaal werd gebruikt voor het vangen van enkelvoudige nanodeeltjes.

“Het kunnen manipuleren of beheersen van deze kleine deeltjes is cruciaal voor de vooruitgang in de biomedische wetenschap”, legt Dr. Domna Kotsifaki, stafwetenschapper bij de OIST-eenheid en eerste auteur van het onderzoeksartikel uit dat in Nano Letters. Dr. Kotsifaki legde verder uit dat het vangen van deze nanodeeltjes onderzoekers in staat zou kunnen stellen de progressie van kanker te zien, effectieve medicijnen te ontwikkelen en biomedische beeldvorming te bevorderen. ‘De mogelijke toepassingen voor de samenleving zijn verreikend.’

Deze nieuwe techniek heeft twee gewilde eigenschappen: het kan de nanodeeltjes stabiel vangen met laservermogen van lage intensiteit en het kan gedurende een lange periode worden gebruikt zonder lichte schade aan het monster te voorkomen. De reden hiervoor was het metamateriaal dat de onderzoekers kozen om te gebruiken. Dit metamateriaal is zeer gevoelig voor veranderingen in de omgeving en maakt daarom het gebruik van laservermogen met lage intensiteit mogelijk.

“Metamaterialen hebben ongebruikelijke eigenschappen vanwege hun unieke ontwerp en structuur. Maar dit maakt ze erg nuttig. In de afgelopen paar jaar is er een geheel nieuw tijdperk van apparaten met nieuwe concepten en potentiële toepassingen uit ontstaan”, legt Dr. Kotsifaki uit. ‘Van het metamateriaal hebben we een reeks asymmetrische gespleten ringen gemaakt met behulp van een straal ionen – kleine, geladen deeltjes – op een gouden film van 50 nm.’

Om te testen of de techniek werkte, verlichtte de onderzoeksgroep het apparaat met nabij-infrarood licht en ving het 20 nm polystyreendeeltjes op in bepaalde gebieden erop.

Dr. Kotsifaki en collega’s waren op zoek naar de valstijfheid, wat een maat is voor de vangprestaties. “De behaalde trappingprestaties waren meerdere malen beter dan die van conventionele optische pincetten en tot nu toe de hoogste tot nu toe gerapporteerd”, legde ze uit. “Als eerste groep die dit apparaat gebruikte voor het vangen van nanodeeltjes met precisie, was het een lonende bijdrage aan deze vooruitgang op dit onderzoeksgebied.”

Het onderzoeksteam is nu van plan hun apparaat aan te passen om te zien of deze pincetten kunnen worden gebruikt in echte toepassingen. In het bijzonder zou dit apparaat in de toekomst kunnen worden gebruikt om lab-on-chip-technologieën te creëren, dit zijn in de hand gehouden diagnostische hulpmiddelen die efficiënt en economisch resultaten kunnen opleveren. Naast de toepassingen in de biomedische wetenschap heeft dit onderzoek nieuwe en fundamentele inzichten opgeleverd in nanotechnologie en lichtgedrag op nanoschaal.