Nuevo sensor puede detectar cada vez partículas nanométricas más pequeñas

Práctico y revolucionario: La física Larissa Kohler, del KIT, ha desarrollado un nuevo tipo de resonador que hace visibles nanopartículas cada vez más pequeñas. (Foto: Markus Breig, KIT)

La física Larissa Kohler ha desarrollado el nuevo resonador óptico en el KIT. (Foto: Markus Breig, KIT) / La física Larissa Kohler ha desarrollado el nuevo resonador óptico en el KIT. (Foto: Markus Breig, KIT)

Las nanopartículas están presentes en nuestro entorno en todas partes: virus en el aire, proteínas en el cuerpo, como componentes de nuevos materiales, por ejemplo, para la electrónica o en recubrimientos de superficies. Quien quiera hacer visibles las diminutas partículas, tiene un problema: son tan pequeñas que generalmente no se pueden ver con un microscopio óptico. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han desarrollado un sensor con el que no solo pueden detectar nanopartículas, sino también determinar su naturaleza y seguir su movimiento en el espacio. Presentan su novedoso resonador Fabry-Pérot en la revista Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

Los microscopios convencionales generan imágenes altamente ampliadas de estructuras u objetos pequeños con ayuda de la luz. Sin embargo, debido a su diminuta tamaño, las nanopartículas apenas absorben o dispersan luz, por lo que permanecen invisibles. Los resonadores ópticos, en cambio, amplifican la interacción entre la luz y las nanopartículas: mantienen la luz atrapada en un espacio reducido, reflejándola miles de veces entre dos espejos. Si una nanopartícula se encuentra en el campo de luz atrapado, interactúa miles de veces con la luz, de modo que la variación en la intensidad de la luz se vuelve medible. "Debido a que el campo de luz tiene diferentes intensidades en distintos puntos del espacio, podemos inferir la posición de la nanopartícula en el espacio tridimensional", dice la Dra. Larissa Kohler del Instituto de Física del KIT.

El resonador hace visibles los movimientos de las nanopartículas

Y no solo eso: "Cuando una nanopartícula está en agua, choca con las moléculas de agua, que se mueven en direcciones aleatorias debido a la energía térmica. A causa de estos choques, la nanopartícula realiza un movimiento de vaivén. También podemos seguir este movimiento browniano", explica la experta. "Hasta ahora, con un resonador óptico no se podía seguir el movimiento espacial de una nanopartícula, solo se podía determinar si la partícula estaba en el campo de luz o no", aclara Kohler. Además, el novedoso resonador de fibra, en el que los espejos altamente reflectantes se encuentran en las superficies finales de fibras de vidrio, permite derivar del movimiento tridimensional el radio hidrodinámico de la partícula, es decir, el grosor de la envoltura de agua que la rodea. Esto es crucial porque modifica las propiedades de la nanopartícula. "Por ejemplo, gracias a la capa de agua, aún se pueden detectar nanopartículas que sin esa capa serían demasiado pequeñas", dice Kohler. Asimismo, la capa de agua alrededor de proteínas u otras nanopartículas biológicas podría influir en procesos biológicos.

El sensor permite obtener conocimientos sobre procesos biológicos

Las posibilidades de uso de su resonador que ven los investigadores están en la detección futura del movimiento tridimensional con alta resolución temporal y en la caracterización de las propiedades ópticas de nanopartículas biológicas, como proteínas, origami de ADN o virus. El sensor podría ofrecer así una visión de procesos biológicos aún no comprendidos.

Publicación original
Larissa Kohler, Matthias Mader, Christian Kern, Martin Wegener, David Hunger: Seguimiento del movimiento browniano en tres dimensiones y caracterización de nanopartículas individuales usando un microcavidad de alta finesse basada en fibra. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5