Observación de nanopartículas con una precisión sin precedentes
Iluminado: Investigadores estudian nuevos fenómenos físicos a nanoescala con fibras microestructuradas
Investigadores del Leibniz IPHT han logrado contribuir a importantes avances en el desciframiento de nanoobjetos diminutos: Utilizando fibras ópticas especiales, identificaron un nuevo modo óptico que permite una iluminación uniforme a lo largo de toda la longitud de la fibra, y determinaron el límite de resolución de los objetos individuales que podían medirse con fibras. Sentaron así las bases para observar nanopartículas con una precisión sin precedentes. Los resultados de sus estudios se publicaron en las revistas OPTICA y Nature Communications.
Los métodos basados en fibras son un enfoque prometedor para caracterizar nanopartículas que se mueven con rapidez en los sectores farmacéutico, bioanalítico o de ciencias de los materiales. En concreto, 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 tamaños. Científicos del Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica (Leibniz IPHT) de Jena (Alemania) investigan las posibilidades del método FaNTA y su potencial para una amplia variedad de aplicaciones a nanoescala.
Descubrimiento de un nuevo estado de la luz
Como parte de su investigación, los investigadores han podido demostrar por primera vez un nuevo modo óptico en fibras de vidrio. Este modo, identificado como filamento de luz, que describen en la revista OPTICA, permite una iluminación extremadamente homogénea y constante de nanopartículas difusoras a lo largo de toda la fibra.
La generación de tales intensidades de luz en fibras ópticas requiere una sofisticada nanoestructuración en forma de nanocanales llenos de líquido en el núcleo de la fibra, que pueden utilizarse para la detección y el recuento de nanoobjetos en tiempo real. Para demostrar la formación del nuevo modo en fibras y su ventaja para el método FaNTA, los investigadores realizaron 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, relleno de una solución líquida que contiene nanoobjetos difusores. La fibra fue fabricada por la empresa Heraeus Conamic. Cuando la luz se acopla a la fibra, se propaga uniformemente a lo largo del canal de fluido integrado en forma de filamento. Como resultado, la muestra que se va a examinar, incluidos los nanoobjetos que contiene, puede iluminarse de forma intensa y extremadamente homogénea. La luz dispersada por las nanopartículas individuales permite observar con gran precisión la dinámica de los objetos particulados.
"La hebra de luz conformada por el diseño microestructurado de la fibra permite una iluminación uniforme sin precedentes con una alta intensidad luminosa constante en fibras optofluídicas, lo que permite un seguimiento extremadamente largo y aún más preciso de objetos diminutos. De este modo, evitamos las variaciones de intensidad de la luz que suelen producirse en el borde exterior de un nanocanal. Esto nos permite detectar incluso las nanopartículas más pequeñas de forma consistente y alcanzar así una precisión de medición muy alta", explica el Prof. Dr. Markus A. Schmidt, jefe del Departamento de Investigación en Fotónica de Fibras del Leibniz IPHT, que descubrió el nuevo modo de luz junto con su equipo y los conocimientos expertos 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, las partículas de rápida difusión en las ciencias de la vida, como los virus, su número y distribución de tamaño, así como las reacciones químicas, por ejemplo al investigar los mecanismos de acción de los fármacos, pueden determinarse con gran precisión.
Identificación de las nanopartículas medibles más pequeñas
Además, las observaciones de procesos y especies de partículas extremadamente pequeñas son cada vez más importantes en la industria de los semiconductores para la producción de microchips y la identificación de impurezas. El método FaNTA también permite seguir microscópicamente con gran precisión estos procesos a nanoescala en el campo de la ciencia de los materiales.
En pruebas experimentales con fibras ópticas microestructuradas, que contienen microcanales fluídicos que confinan minúsculos nanoobjetos, los investigadores del Leibniz IPHT consiguieron 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 lograron caracterizar con gran precisión incluso nanopartículas extremadamente pequeñas y de difusión libre con un diámetro de sólo nueve nanómetros. Este es el diámetro más pequeño que se ha determinado hasta ahora para una sola nanopartícula utilizando el análisis de seguimiento de nanopartículas.
Así pues, el método FaNTA ofrece la posibilidad de abrir aplicaciones a nanoescala a las que antes era difícil acceder y, por ejemplo, de poder supervisar aún mejor en el futuro el crecimiento de las nanopartículas o el control de calidad de los medicamentos.
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Publicación original
Fengji Gui, Shiqi Jiang, Torsten Wieduwilt, Ramona Scheibinger, Johannes Hofmann, Ronny Foerster, Markus A. Schmidt; "Light strands: exploring flat-field modes in optofluidic fibers for tracking single nano-objects"; Optica, Volume 10, 2023-6-6
Torsten Wieduwilt, Ronny Förster, Mona Nissen, Jens Kobelke, Markus A. Schmidt; "Characterization of diffusing sub-10 nm nano-objects using single anti-resonant element optical fibers"; Nature Communications, Volume 14, 2023-6-5
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