10 Okt Ausgeleuchtet: Mikrostrukturierte Fasern für die Forschung
Um schnell bewegliche Nanopartikel in der Pharmazie, der Bioanalytik oder den Materialwissenschaften zu charakterisieren, stellen faserbasierte Methoden einen vielversprechenden Ansatz dar. Insbesondere die faserunterstützte Nanopartikel-Tracking-Analyse (Fiber-Assisted Nanoparticle Tracking Analysis, Fanta) ermöglicht es, einzelne, in Mikrokanäle optischer Fasern eingeschlossene Nanoobjekte, gezielt mikroskopisch zu beobachten und ihre Größenverteilung präzise zu ermitteln. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena forschen an den Möglichkeiten des Fanta-Verfahrens und ihren Potentialen für verschiedenste nanoskalige Anwendungen.
Ein neuer Lichtzustand
Im Rahmen ihrer Forschungsarbeiten konnten sie nun erstmals eine neue optische Mode in Glasfasern nachweisen. Diese als Lichtstrang identifizierte Mode soll eine äußerst homogene und konstante Beleuchtung von diffundierenden Nanopartikeln entlang der gesamten Faser ermöglichen. Für die Erzeugung solcher Lichtintensitäten sind Nanostrukturierungen in Form von flüssigkeitsgefüllten Nanokanälen im Faserkern nötig, die zur Echtzeit-Erkennung und -Zählung von Nanoobjekten verwendet werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Optimierung des Fanta-Verfahrens bei der Detektion kleinster Nanoobjekte bei.
Spezialfaser mit Fluidkanal
Um die Bildung der neuen Lichtmode in Fasern und seinen Vorteil für die Fanta-Methode zu demonstrieren, statteten die Forschenden in experimentellen Studien eine optische Spezialfaser mit einem lichtleitenden Kanal in der Mitte des Faserkerns mit einem Durchmesser von 400 nm aus, der mit einer flüssigen Lösung und darin eingeschlossenen Nanoobjekten gefüllt war. Hergestellt wurde die Faser von der Firma Heraeus Conamic. Wird Licht in die Faser eingekoppelt, breitet sich dieses gleichmäßig entlang des integrierten Fluidkanals in Form eines Strangs aus. Infolgedessen kann laut den Forschenden die zu untersuchende Probe einschließlich der darin befindlichen Nanoobjekte intensiv und äußerst homogen beleuchtet werden. Das Licht, das von einzelnen Nanopartikeln gestreut wird, erlaubt schließlich, hochgenau Dynamiken der Partikelobjekte zu beobachten.
„Der Lichtstrang, der durch das mikrostrukturierte Faserdesign geformt wird, ermöglicht eine bisher nicht dagewesene gleichmäßige Ausleuchtung mit konstant hoher Lichtintensität in optofluidischen Fasern und damit außerordentlich langes und noch präziseres Verfolgen winzig kleiner Objekte“, erklärt Professor Markus A. Schmidt, Leiter der Forschungsabteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT, der gemeinsam mit seinem Team und dem Expertenwissen der Quarzglas-Spezialisten von Heraeus die neuen Lichtmode aufdeckte. „Wir verhindern die Intensitätsvariationen des Lichts, die typischerweise am äußeren Rand eines Nanokanals auftreten. Dadurch können wir auch kleinste Nanopartikel konsistent detektieren und somit sehr hohe Messgenauigkeiten erzielen“, beschreibt Schmidt die Vorteile.
Anwendung in Biowissenschaften und Halbleiterindustrie
So ließen sich nach Aussage der Forschenden zum Beispiel bereits schnell diffundierende Partikel in den Biowissenschaften, wie Viren, sowie deren Anzahl und Größenverteilung bestimmen. Auch chemische Reaktionen, beispielsweise bei der Untersuchung von Wirkmechanismen von Medikamenten, konnten analysiert werden.
Beobachtungen extrem kleiner Prozesse und Partikelspezis gewinnen darüber hinaus auch in der Halbleiterindustrie bei der Herstellung von Mikrochips und der Identifizierung von Verunreinigungen an Bedeutung. Die Fanta-Methode erlaubt es, auch diese nanoskaligen Vorgänge auf dem Gebiet der Materialwissenschaften mit hoher Präzision mikroskopisch zu verfolgen. In ihren Experimenten untersuchten die Forschenden hierzu Gemische mit Kleinstpartikeln und konnten selbst extrem kleine, frei diffundierende Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur 9 nm mit höchster Präzision charakterisieren. Das entspricht laut den Forschenden dem kleinsten Durchmesser, der bisher für einen einzelnen Nanopartikel mithilfe der Nanopartikel-Tracking-Analyse festgestellt werden konnte.
Damit bietet das Fanta-Verfahren nach Aussage der Forschenden das Potenzial, auch bisher schwer zugängliche nanoskalige Anwendungen zu erschließen und beispielsweise das Wachstum von Nanopartikeln oder die Qualitätskontrolle von Arzneimitteln in Zukunft noch besser überwachen zu können.
Originalpublikationen:
[F. Gui, S. Jiang, T. Wieduwilt, R. Scheibinger, J. Hofmann, R. Foerster, M. A. Schmidt, Light strands: exploring flat-field modes in optofluidic fibers for tracking single nano-objects, OPTICA, Vol. 10, No. 6, June 2023, https://doi.org/10.1364/OPTICA.486144
T. Wieduwilt, R. Förster, M. Nissen, J. Kobelke, M. A. Schmidt, Characterization of diffusing sub-10 nm nano-objects using single anti-resonant element optical fibers, Nature Communications, 14, 3247 (2023), https://doi.org/10.1038/s41467-023-39021-3]
Kooperationspartner: www.heraeus.com
Quelle und Bild: www.leibniz-ipht.de
