Microgestructureerde vezel meet de grootte van nanodeeltjes

a) Concept van single-antiresonant-element (ARE) fiber-assisted nanoparticle tracking analysis (FaNTA). b) Doorsnede van een representatief frame (180 × 25 μm², 10 μm schaalbalk, gamma 0,4) met gevolgde nanodeeltjes uit een bimodaal mengsel. Monstersoort: polystyreen (PS) kralen met nominale diameters 100 nm (oranje omcirkeld) en 125 nm (groen omcirkeld). Het volledige frame is opgenomen in ondersteunende informatie IV. c) Beelddetail van (b) met zichtbare eerste Airy-ringen die de aberratievrije beeldkwaliteit bevestigen (5 μm schaalbalk; meer details over de beeldkwaliteitsanalyse zijn te vinden in ondersteunende informatie IV). Credit: Klein (2022). DOI: 10.1002/smll.202202024

Onderzoekers van het Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) ontwikkelden een nieuw glasvezelontwerp dat uitzonderlijk lange observaties mogelijk maakt van een groot aantal individuele, vrij bewegende nanodeeltjes in een vloeistof. Hierdoor kan de grootteverdeling van nano-objecten in een sample nog nauwkeuriger bepaald worden. De wetenschappers leggen daarmee de basis voor nog beter onderzoek naar milieu- en bioanalytische vraagstukken in de toekomst.

Of het nu gaat om wateranalyse, de productie van vaccins of het onderzoek van biologische monsters – mengsels van minuscule deeltjes komen in bijna alle gebieden van het dagelijks leven voor en zijn samengesteld uit een verscheidenheid aan verschillende kleine objecten in vloeibare omgevingen.

De nauwkeurige bepaling van individuele componenten van zo’n mengsel van fijne deeltjes in een vloeistof (dispersie) vormt een uitdaging voor de wetenschap, vooral met betrekking tot de breedte van hun grootteverdeling en de aanwezigheid van verschillende deeltjessoorten die slechts weinig verschillen in grootte. Een nieuwe microgestructureerde glasvezel (single antiresonant element fiber) ontwikkeld bij Leibniz IPHT biedt het potentieel om de meetnauwkeurigheid van de karakterisering van nano-objecten aanzienlijk te verbeteren.

Nieuwe optische vezel voor uiterst nauwkeurige analyse

Met de speciale optische vezel die in het Jena-instituut is gerealiseerd, kunnen nano-objecten in waterige oplossing met een diameter kleiner dan 20 nanometer worden opgesloten, afzonderlijk worden gevolgd en hun grootte nauwkeurig worden bepaald. Hierdoor kunnen onderzoekers de grootteverdelingen van nanodeeltjes in mengsels nauwkeurig analyseren. De glasvezel heeft hiervoor een dunwandig en daardoor lichtgeleidend microkanaal van 17 micrometer in doorsnee.

Om een ​​monster te onderzoeken, wordt de deeltjesvloeistof in contact gebracht met de holle vezel, die zich als gevolg van capillaire kracht vult met het vloeistofmonster. Het gekoppelde licht wordt langs het geïntegreerde vloeistofkanaal van de vezel geleid. De glazen wand, die slechts 756 nanometer dik is, maakt een intense en gelijkmatige verlichting van het te onderzoeken monster en de daarin opgenomen nano-objecten mogelijk.

Het licht dat door individuele nanodeeltjes wordt verstrooid, maakt het mogelijk hun positie te volgen en maakt zo zeer nauwkeurige microscopische waarnemingen mogelijk. “Met onze nieuwe glasvezelmethode kunnen individuele objecten op nanoschaal gedurende lange tijd worden gevolgd. Op deze manier kunnen we hun grootte uiterst nauwkeurig en betrouwbaar bepalen, zodat we individuele componenten in een mengsel kunnen karakteriseren”, legt Mona Nissen uit. , promovendus op de afdeling Fiber Photonics van Leibniz IPHT.

In experimentele studies met mengsels van deeltjes met een klein verschil in grootte, bestaande uit polystyreen nanosferen met gemiddelde diameters van 100 en 125 nanometer, konden de onderzoekers een zeer nauwkeurige karakterisering aantonen met behulp van de nieuwe optische vezel. De wetenschappers waren in staat om de grootteverdeling nauwkeurig te meten en individuele componenten te identificeren, zowel in monodisperse deeltjesmengsels met nano-objecten van één soort en grootteklasse als in polydisperse deeltjessamenstellingen met objecten met verschillende eigenschappen en afmetingen.

Toepassingen op nanoschaal

De gepresenteerde glasvezelbenadering biedt het potentieel om te worden gebruikt in nanotechnologische toepassingen op het gebied van milieu- en bioanalytica, evenals in de chemie en geneeskunde voor groottecontrole van nanodeeltjes. De onderzoekers zien toepassingsscenario’s bijvoorbeeld bij het onderzoek van wateren op microplasticresten, de analyse van patiëntenmonsters zoals urine, de observatie van syntheseproducten in de chemische wetenschappen of de ontwikkeling van medicijnen.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Klein.