Nieuwe sensor kan steeds kleinere nanodeeltjes detecteren

Handig en revolutionair: Een nieuw type resonator dat steeds kleinere nanodeeltjes zichtbaar maakt, heeft de natuurkundige Larissa Kohler van het KIT ontwikkeld. (Foto: Markus Breig, KIT) / Small and revolutionary: Physicist Larissa Kohler, KIT, has developed a new type of resonator that makes ever smaller nanoparticles visible. (Photo: Markus Breig, KIT)

De fysicus Larissa Kohler heeft de nieuwe optische resonator bij het KIT ontwikkeld. (Foto: Markus Breig, KIT) / Physicus Larissa Kohler heeft de nieuwe optische resonator bij het KIT ontwikkeld. (Foto: Markus Breig, KIT)

Nanodeeltjes zijn overal in onze omgeving: virussen in de lucht, eiwitten in het lichaam, als bouwstenen voor nieuwe materialen bijvoorbeeld voor elektronica of in oppervlaktecoatings. Wie de kleine deeltjes zichtbaar wil maken, loopt tegen een probleem aan: ze zijn zo klein dat je ze meestal niet onder een optisch microscoop ziet. Onderzoekers aan het Karlsruher Instituut voor Technologie (KIT) hebben een sensor ontwikkeld waarmee ze nanodeeltjes niet alleen kunnen opsporen, maar ook hun aard kunnen bepalen en hun driedimensionale beweging kunnen volgen. Hun nieuwe Fabry-Pérot-resonator presenteren ze in het tijdschrift Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

Gebruikelijke microscopen maken sterk vergrote beelden van kleine structuren of objecten met behulp van licht. Omdat nanodeeltjes door hun kleinheid echter nauwelijks licht absorberen of verstrooien, blijven ze onzichtbaar. Optische resonatoren versterken daarentegen de interactie tussen licht en nanodeeltjes: ze houden licht op kleine schaal gevangen door het tussen twee spiegels te laten reflecteren, soms duizenden keren. Als zich een nanodeeltje in het gevangen lichtveld bevindt, dan wisselwerkt het nanodeeltje duizenden keren met het licht, waardoor de verandering in lichtintensiteit meetbaar wordt. "Omdat het lichtveld op verschillende plaatsen in de ruimte verschillende intensiteiten heeft, kunnen we conclusies trekken over de positie van het nanodeeltje in de driedimensionale ruimte," zegt Dr. Larissa Kohler van het Fysisch Instituut aan het KIT.

Resonator maakt bewegingen van nanodeeltjes zichtbaar

En niet alleen dat: "Als een nanodeeltje zich in water bevindt, botst het op de watermoleculen die door thermische energie in willekeurige richtingen bewegen. Door de botsingen voert het nanodeeltje een soort trilling uit. Ook deze Brownse beweging kunnen we nu volgen," aldus de expert. "Tot nu toe kon met een optische resonator niet de driedimensionale beweging van een nanodeeltje worden gevolgd, men kon alleen vaststellen of het zich in het lichtveld bevond of niet," legt Kohler uit. Bovendien opent de nieuwe vezelgebaseerde Fabry-Pérot-resonator, waarbij de hoogreflecterende spiegels zich aan de uiteinden van glasvezels bevinden, de mogelijkheid om uit de driedimensionale beweging de hydrodynamische straal van het deeltje af te leiden, oftewel de dikte van de waterlaag eromheen. Dit is cruciaal omdat deze de eigenschappen van het nanodeeltje beïnvloedt. "Zo kunnen bijvoorbeeld nanodeeltjes worden gedetecteerd die zonder deze waterlaag te klein zouden zijn," zegt Kohler. Eveneens kan de waterlaag rondom eiwitten of andere biologische nanodeeltjes invloed hebben op biologische processen.

Sensor biedt inzicht in biologische processen

Toekomstige toepassingen voor hun resonator zien de onderzoekers in het detecteren van driedimensionale beweging met hoge temporele resolutie en het karakteriseren van de optische eigenschappen van biologische nanodeeltjes, zoals eiwitten, DNA-Origami of virussen. De sensor zou daarmee inzicht kunnen geven in nog niet volledig begrepen biologische processen.

Oorspronkelijke publicatie
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