Nový senzor dokáže stále menší nanodíly rozpoznávat

Hodný a revoluční: Fyzikářka Larissa Kohler z KIT vyvinula nový typ rezonátoru, který umožňuje vidět stále menší nanodíly. (Foto: Markus Breig, KIT) / Malý a revoluční: Fyzikářka Larissa Kohler z KIT vyvinula nový typ rezonátoru, který umožňuje vidět stále menší nanopartikulární částice. (Foto: Markus Breig, KIT)

Fyzikářka Larissa Kohler vyvinula nový optický rezonátor na KIT. (Foto: Markus Breig, KIT) / Physicist Larissa Kohler has developed the new optical resonator at KIT. (Photo: Markus Breig, KIT)

Nanodílky jsou všudypřítomné v našem okolí: viry ve vzduchu, proteiny v těle, jako stavební kameny nových materiálů například pro elektroniku nebo povrchové vrstvy. Kdo chce tyto malé částice vidět, má problém: jsou tak malé, že je většinou pod optickým mikroskopem nevidíme. Výzkumníci z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) vyvinuli senzor, který dokáže nanodílky nejen detekovat, ale také určit jejich vlastnosti a sledovat jejich prostorové pohyby. Svůj inovativní Fabry-Pérotův rezonátor představují v časopise Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

Obvyklé mikroskopy vytvářejí zvětšené obrazy malých struktur nebo objektů pomocí světla. Protože však nanodílky kvůli své velikosti téměř neabsorbuji nebo neodrážejí světlo, zůstávají neviditelné. Optické rezonátory však zesilují interakci mezi světlem a nanodílky: drží světlo uvězněné na malém prostoru tím, že odráží světlo tisícekrát mezi dvěma zrcadly. Pokud se nanodíl nachází v uvězněném světelném poli, pak s ním nanodíl interaguje tisíckrát, takže změna intenzity světla je měřitelná. „Protože má světelné pole na různých místech v prostoru odlišné intenzity, můžeme z toho odvodit polohu nanodílku ve třech rozměrech,“ říká Dr. Larissa Kohler z Fyzikálního ústavu na KIT.

Rezonátor činí pohyby nanodílků viditelnými

A nejen to: „Když se nanodílek nachází ve vodě, naráží na vodíkové molekuly, které se kvůli tepelné energii pohybují v náhodných směrech. Tímto nárazem nanodílek vykonává jakýsi třesoucí se pohyb. Tento Brownův pohyb nyní můžeme také sledovat,“ vysvětluje expertka. „Dosud nebylo možné s optickým rezonátorem sledovat prostorové pohyby nanodílku, pouze se dalo říct, že se částice nachází v světelném poli nebo ne,“ vysvětluje Kohler. Navíc inovativní vláknový Fabry-Pérotův rezonátor, kde se vysokoodrazivá zrcadla nacházejí na koncích skleněných vláken, umožňuje odvodit z trojrozměrného pohybu hydrodynamický poloměr částice, tedy tloušťku její obalové vrstvy z vody. To je klíčové, protože tato vrstva mění vlastnosti nanodílku. „Například díky hydratační vrstvě lze detekovat i nanodílky, které by bez této vrstvy byly příliš malé,“ říká Kohler. Stejně tak by hydratační vrstva kolem proteinů nebo jiných biologických nanodílků mohla ovlivnit biologické procesy.

Senzor umožňuje pohled do biologických procesů

Při použití jejich rezonátoru vědci vidí možnosti v budoucím detekování trojrozměrného pohybu s vysokým časovým rozlišením a v charakterizaci optických vlastností biologických nanodílků, jako jsou například proteiny, DNA origami nebo viry. Senzor by tak mohl poskytnout nové poznatky o dosud nepochopených biologických procesech.

Originální publikace
Larissa Kohler, Matthias Mader, Christian Kern, Martin Wegener, David Hunger: Tracking Brownian motion in three dimensions and characterization of individual nanoparticles using a fiber-based high-finesse microcavity. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5