Új érzékelő egyre kisebb nanorészecskéket képes felismerni

Kézreálló és forradalmi: Larissa Kohler fizikus, a KIT-től, kifejlesztett egy új típusú rezonátort, amely egyre kisebb nanorészecskéket tesz láthatóvá. (Fotó: Markus Breig, KIT) / Kicsi és forradalmi: Larissa Kohler fizikus, a KIT-től, kifejlesztett egy új rezonátort, amely egyre kisebb nanorészecskéket tesz láthatóvá. (Fotó: Markus Breig, KIT)

A fizikus Larissa Kohler kifejlesztette az új optikai rezonátort a KIT-nél. (Fotó: Markus Breig, KIT) / Physicist Larissa Kohler has developed the new optical resonator at KIT. (Photo: Markus Breig, KIT)

A nanorészecskék mindenütt jelen vannak környezetünkben: vírusok a levegőben, fehérjék a testben, például az elektronika vagy felületi bevonatok új anyagainak építőkövei. Akik a kis részecskéket láthatóvá akarják tenni, problémába ütköznek: olyan kicsik, hogy optikai mikroszkóppal általában nem láthatók. A Karlsruhei Technológiai Intézet (KIT) kutatói egy olyan érzékelőt fejlesztettek ki, amellyel a nanorészecskéket nemcsak fel lehet fedezni, hanem azok tulajdonságait is meghatározhatják, valamint mozgásukat háromdimenziós térben követhetik nyomon. Újszerű Fabry-Pérot rezonátorukat a Nature Communications folyóiratban mutatják be (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

A szokásos mikroszkópok erősen nagyított képeket készítenek apró struktúrákról vagy objektumokról fény segítségével. Mivel azonban a nanorészecskék a méretük miatt alig nyelnek el vagy szórnak fényt, láthatatlanok maradnak. Az optikai rezonátorok viszont erősítik a fény és a nanorészecske közötti kölcsönhatást: a fényt kis térben tartják, úgy, hogy az kétezer- vagy akár tízezer alkalommal verődik vissza két tükör között. Ha egy nanorészecske található a fogott fényterületen, akkor az ezerszer kölcsönhatásba lép a fénnyel, így a fényintenzitás változása mérhetővé válik. „Mivel a fényterület különböző pontjain különböző intenzitások vannak, következtetéseket vonhatunk le a nanorészecske pozíciójára a háromdimenziós térben” – mondja Dr. Larissa Kohler a KIT Fizikai Intézetéből.

A rezonátor láthatóvá teszi a nanorészecskék mozgását

És nemcsak ez: „Ha egy nanorészecske vízben van, ütközik a vízmolekulákkal, amelyek a termikus energia hatására véletlenszerű irányokba mozognak. Az ütközések miatt a nanorészecske egyfajta remegő mozgást végez. Ezt a Brown-mozgást is nyomon követhetjük most” – mondja a szakértő. „Eddig egy optikai rezonátorral nem lehetett a nanorészecske térbeli mozgását követni, csak azt lehetett mondani, hogy a részecske az fényterületen van vagy nincs” – magyarázza Kohler. Emellett az újszerű, szálalapú Fabry-Pérot rezonátor, amelyben a magasreflektív tükrök a szálak végfelületein helyezkednek el, lehetőséget ad arra, hogy a háromdimenziós mozgásból a részecske hidrodinamikai sugarát, azaz a víz által körülölelt burok vastagságát levezessék. Ez döntő fontosságú, mivel ez befolyásolja a nanorészecske tulajdonságait. „Például a vízréteg miatt még olyan nanorészecskék is észlelhetők, amelyek nélküle túl kicsik lennének” – mondja Kohler. Ugyancsak a vízréteg hatással lehet fehérjékre vagy más biológiai nanorészecskék esetében a biológiai folyamatokra.

Az érzékelő betekintést nyújt a biológiai folyamatokba

A kutatók szerint a rezonátor jövőbeni alkalmazási lehetőségei közé tartozik a háromdimenziós mozgás magas időbeli felbontással történő detektálása, valamint a biológiai nanorészecskék, például fehérjék, DNS-Origami vagy vírusok optikai tulajdonságainak jellemzése. Az érzékelő így lehetőséget adhat még nem értett biológiai folyamatok megértésére is.

Eredeti publikáció
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