Pesquisadores do Leibniz IPHT fizeram avanços significativos na decifração de minúsculos nano-objetos. Usando fibras ópticas especiais, eles identificaram um novo modo óptico que permite iluminação uniforme ao longo de todo o comprimento de uma fibra e determinaram o limite de resolução de objetos individuais que poderiam ser medidos com fibras. Assim, eles estabelecem as bases para a observação de nanopartículas com uma precisão sem precedentes. Os resultados de seus estudos foram publicados nas revistas Optica e Comunicações da Natureza .



Os métodos baseados em fibras são uma abordagem promissora para caracterizar nanopartículas de movimento rápido em produtos farmacêuticos, bioanalíticos e ciências de materiais. Em particular, a análise de rastreamento de nanopartículas assistida por fibra (FaNTA) permite a observação microscópica de nanoobjetos individuais confinados em microcanais de fibras ópticas e a determinação precisa de sua distribuição de tamanho. Cientistas do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica (Leibniz IPHT) em Jena, Alemanha, estão pesquisando as possibilidades do método FaNTA e seu potencial para uma ampla variedade de aplicações em nanoescala.

Descoberta de um novo estado de luz

Como parte de sua pesquisa, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez um novo modo óptico em fibras de vidro. Este modo, identificado como fio de luz, descrito na revista Optica , permite iluminação extremamente homogênea e constante de nanopartículas em difusão ao longo de toda a fibra.

A geração de tais intensidades de luz em fibras ópticas requer nanoestruturação sofisticada na forma de nanocanais cheios de líquido no núcleo da fibra, que podem ser usados ​​para detecção e contagem em tempo real de nanoobjetos. Para demonstrar a formação do novo modo nas fibras e sua vantagem para o método FaNTA, os pesquisadores realizaram estudos experimentais equipando uma fibra óptica especial com um canal condutor de luz no centro do núcleo da fibra com diâmetro de 400 nanômetros, preenchido com uma solução líquida que contém nano-objetos em difusão.

A fibra foi fabricada pela empresa Heraeus Conamic. Quando a luz é acoplada à fibra, ela se espalha uniformemente ao longo do canal de fluido integrado na forma de um fio. Como resultado, a amostra a ser examinada, incluindo os nanoobjetos nela contidos, pode ser iluminada de forma intensa e extremamente homogênea. A luz espalhada pelas nanopartículas individuais permite que a dinâmica dos objetos particulados seja observada com alta precisão.

"O fio de luz moldado pelo design da fibra microestruturada permite uma iluminação uniforme sem precedentes com alta intensidade de luz constante em fibras optofluídicas, permitindo um rastreamento extremamente longo e ainda mais preciso de objetos minúsculos. Dessa forma, evitamos as variações de intensidade de luz que normalmente ocorrem na borda externa de um nanocanal, isso nos permite detectar consistentemente até mesmo as menores nanopartículas e, assim, alcançar uma precisão de medição muito alta", explica o Prof. Markus A. Schmidt, chefe do Departamento de Pesquisa em Fibra Fotônica do Leibniz IPHT, que descobriu. o novo modo de luz junto com sua equipe e o conhecimento especializado dos especialistas em vidro de quartzo da Heraeus.

O conhecimento adquirido contribui para a otimização do método FaNTA na detecção dos menores nano-objetos. Por exemplo, partículas de difusão rápida nas ciências da vida, como vírus, o seu número e distribuição de tamanho, bem como reações químicas, por exemplo, ao investigar os mecanismos de ação de medicamentos, podem ser determinadas com muita precisão.

Identificação das menores nanopartículas mensuráveis

Além disso, as observações de processos extremamente pequenos e espécies de partículas estão se tornando cada vez mais importantes na indústria de semicondutores para a produção de microchips e a identificação de impurezas. O método FaNTA também permite que esses processos em nanoescala no campo da ciência dos materiais sejam rastreados microscopicamente com alta precisão.

Em testes experimentais com fibras ópticas microestruturadas, contendo microcanais fluídicos que confinam minúsculos nano-objetos, os pesquisadores do Leibniz IPHT conseguiram detectar a menor partícula já mensurável com o FaNTA e, assim, explorar o limite de resolução do método de medição do FaNTA como um todo.

Em seus experimentos, que eles descrevem na revista Nature Communications , eles investigaram misturas com partículas minúsculas e foram capazes de caracterizar com alta precisão até mesmo nanopartículas extremamente pequenas e de difusão livre, com um diâmetro de apenas 9 nanômetros. Este é o menor diâmetro que foi determinado até agora para uma única nanopartícula usando análise de rastreamento de nanopartículas.

O método FaNTA oferece assim o potencial para abrir aplicações em nanoescala que antes eram de difícil acesso e, por exemplo, para poder monitorizar o crescimento de nanopartículas ou o controlo de qualidade de medicamentos no futuro.

Mais informações: Fengji Gui et al, Fios de luz:explorando modos de campo plano em fibras optofluídicas para rastrear nano-objetos únicos, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.486144
Torsten Wieduwilt et al, Caracterização de nano-objetos difusos sub-10 nm usando fibras ópticas de elemento anti-ressonante único, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39021-3

Informações do diário: Comunicações da Natureza , Óptica

Fornecido por Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.