Nowy czujnik może wykrywać coraz mniejsze nanocząsteczki

Poręczny i rewolucyjny: Fizyk Larissa Kohler z KIT opracowała nowy rodzaj rezonatora, który pozwala na obserwację coraz mniejszych nanocząstek. (Zdjęcie: 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)

Fizyczka Larissa Kohler opracowała nowy rezonator optyczny w KIT. (Zdjęcie: Markus Breig, KIT) / Physicist Larissa Kohler has developed the new optical resonator at KIT. (Photo: Markus Breig, KIT)

Nanocząsteczki są obecne w naszym otoczeniu wszędzie: wirusy w powietrzu, białka w ciele, jako składniki nowych materiałów, na przykład do elektroniki lub powłok powierzchniowych. Kto chce uczynić te malutkie cząstki widocznymi, napotyka problem: są tak małe, że zwykle nie można ich zobaczyć pod optycznym mikroskopem. Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) opracowali sensor, który pozwala nie tylko wykrywać nanocząstki, ale także określać ich właściwości i śledzić ich ruch przestrzenny. Swój nowatorski rezonator Fabry-Pérot przedstawiają w czasopiśmie Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5).

Typowe mikroskopy tworzą mocno powiększone obrazy małych struktur lub obiektów za pomocą światła. Jednak ze względu na ich mikroskopijny rozmiar nanocząstki niemal nie absorbują ani nie rozpraszają światła, przez co pozostają niewidoczne. Opticzne rezonatory z kolei wzmacniają oddziaływanie między światłem a nanocząstkami: zatrzymują światło w małej przestrzeni, odbijając je tysiące razy między dwoma lustrami. Jeśli nanocząstka znajduje się w uwięzionym polu świetlnym, to wchodzi w interakcję z światłem tysiące razy, co sprawia, że zmiana natężenia światła jest możliwa do zmierzenia. „Ponieważ pole świetlne ma różne natężenia w różnych miejscach w przestrzeni, możemy wyciągać wnioski na temat położenia nanocząstki w trójwymiarowej przestrzeni”, mówi dr Larissa Kohler z Instytutu Fizycznego na KIT.

Rezonator ujawnia ruchy nanocząstek

A co więcej: „Gdy nanocząstka znajduje się w wodzie, zderza się z cząstkami wody, które poruszają się w przypadkowych kierunkach z powodu energii termicznej. W wyniku tych zderzeń nanocząstka wykonuje drgający ruch. My również możemy teraz śledzić ten ruch Browna”, wyjaśnia ekspertka. „Dotychczas nie można było za pomocą optycznego rezonatora śledzić przestrzennego ruchu nanocząstki, można było jedynie stwierdzić, czy cząstka znajduje się w polu światła, czy nie”, tłumaczy Kohler. Co więcej, nowy, oparty na włóknach rezonator Fabry-Pérot, w którym wysokorefleksyjne lustra znajdują się na końcach włókien szklanych, daje możliwość wyprowadzenia z trójwymiarowego ruchu hydrodynamicznego promienia cząstki, czyli grubości otaczającej ją powłoki wodnej. To jest kluczowe, ponieważ ta powłoka zmienia właściwości nanocząstki. „Na przykład, dzięki powłoce hydratacyjnej można wykryć nanocząstki, które bez niej byłyby zbyt małe”, mówi Kohler. Podobnie powłoka hydratacyjna wokół białek lub innych biologicznych nanocząstek może mieć wpływ na procesy biologiczne.

Sensor umożliwia wgląd w procesy biologiczne

Przyszłe zastosowania ich rezonatora obejmują wykrywanie trójwymiarowego ruchu z wysoką rozdzielczością czasową oraz charakteryzowanie właściwości optycznych biologicznych nanocząstek, takich jak białka, origami DNA czy wirusy. Sensor mógłby tym samym umożliwić zrozumienie jeszcze niepoznanych procesów biologicznych.

Oryginalna publikacja
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