Nieuwe sensor detecteert steeds kleinere nanodeeltjes

Conventionele microscopen produceren met behulp van licht vergrote afbeeldingen van kleine structuren of objecten. Nanodeeltjes zijn echter zo klein dat ze licht nauwelijks absorberen of verstrooien en dus onzichtbaar blijven. Optische resonatoren vergroten de interactie tussen licht en nanodeeltjes: ze vangen licht op in de kleinste ruimte door het duizenden keren te reflecteren tussen twee spiegels. Als een nanodeeltje zich in het opgevangen lichtveld bevindt, interageert het duizenden keren met het licht, zodat de verandering in lichtintensiteit kan worden gemeten. “Het lichtveld heeft verschillende intensiteiten op verschillende punten in de ruimte. Hierdoor kunnen conclusies worden getrokken met betrekking tot de positie van het nanodeeltje in de driedimensionale ruimte”, zegt Dr. Larissa Kohler van het Physikalisches Institut van het KIT.

Resonator maakt bewegingen van nanodeeltjes zichtbaar

En dat niet alleen: “Als een nanodeeltje zich in water bevindt, botst het met watermoleculen die door thermische energie in willekeurige richtingen bewegen. Deze botsingen zorgen ervoor dat het nanodeeltje willekeurig beweegt. Deze Brownse beweging kan nu ook worden gedetecteerd”, de experts voegt toe. “Tot nu toe was het voor een optische resonator onmogelijk om de beweging van een nanodeeltje in de ruimte te volgen. Het was alleen mogelijk om aan te geven of het deeltje zich al dan niet in het lichtveld bevindt”, legt Kohler uit. In de nieuwe op vezels gebaseerde Fabry-Pérot-resonator bevinden zich sterk reflecterende spiegels aan de uiteinden van glasvezels. Het stelt ons in staat om de hydrodynamische straal van het deeltje, dat wil zeggen de dikte van het water dat het deeltje omringt, af te leiden uit zijn driedimensionale beweging. Dit is belangrijk, omdat deze dikte de eigenschappen van het nanodeeltje verandert. “Als gevolg van de hydraatschaal is het mogelijk om nanodeeltjes te detecteren die zonder deze te klein zouden zijn geweest”, zegt Kohler. Bovendien kan de hydraatschil rond eiwitten of andere biologische nanodeeltjes invloed hebben op biologische processen.

Een mogelijke toepassing van de resonator kan zijn de detectie van driedimensionale beweging met een hoge temporele resolutie en karakterisering van optische eigenschappen van biologische nanodeeltjes, zoals eiwitten, DNA-origami of virussen. Op deze manier kan de sensor inzicht geven in nog niet begrepen biologische processen.