Observer les nanoparticules avec une précision sans précédent
Illuminé : des chercheurs étudient de nouveaux phénomènes physiques à l'échelle nanométrique avec des fibres microstructurées
Des chercheurs du Leibniz IPHT ont réussi à contribuer à des avancées significatives dans le décryptage de minuscules nano-objets : En utilisant des fibres optiques spéciales, ils ont identifié un nouveau mode optique qui permet une illumination uniforme sur toute la longueur de la fibre, et ont déterminé la limite de résolution des objets individuels qui peuvent être mesurés avec des fibres. Ils ont ainsi jeté les bases de l'observation des nanoparticules avec une précision sans précédent. Les résultats de leurs études ont été publiés dans les revues OPTICA et Nature Communications.
Les méthodes basées sur les fibres constituent une approche prometteuse pour caractériser les nanoparticules qui se déplacent rapidement dans les domaines de la pharmacie, de la bioanalyse ou des sciences des matériaux. En particulier, l'analyse du suivi des nanoparticules assistée par fibre (FaNTA) permet l'observation microscopique de nano-objets individuels confinés dans des microcanaux de fibres optiques et la détermination précise de leur distribution de taille. Les scientifiques de l'Institut Leibniz de technologie photonique (Leibniz IPHT) à Iéna, en Allemagne, étudient les possibilités de la méthode FaNTA et son potentiel pour une grande variété d'applications à l'échelle nanométrique.
Découverte d'un nouvel état lumineux
Dans le cadre de leurs recherches, les chercheurs ont pu démontrer pour la première fois l'existence d'un nouveau mode optique dans les fibres de verre. Ce mode, identifié comme un brin de lumière, qu'ils décrivent dans la revue OPTICA, permet une illumination extrêmement homogène et constante de nanoparticules diffusantes tout au long de la fibre.
La génération de telles intensités lumineuses dans les fibres optiques nécessite une nanostructuration sophistiquée sous la forme de nanocanaux remplis de liquide dans le cœur de la fibre, qui peuvent être utilisés pour la détection et le comptage en temps réel de nano-objets. Pour démontrer la formation du nouveau mode dans les fibres et son avantage pour la méthode FaNTA, les chercheurs ont mené des études expérimentales en équipant une fibre optique spéciale d'un canal conducteur de lumière au centre du cœur de la fibre d'un diamètre de 400 nanomètres, rempli d'une solution liquide contenant des nano-objets diffusants. La fibre a été fabriquée par la société Heraeus Conamic. Lorsque la lumière est couplée à la fibre, elle se propage uniformément le long du canal fluidique intégré sous la forme d'un fil. L'échantillon à examiner, y compris les nano-objets qu'il contient, peut ainsi être éclairé de manière intensive et extrêmement homogène. La lumière diffusée par les nanoparticules individuelles permet d'observer la dynamique des objets particulaires avec une grande précision.
"Le brin de lumière formé par la conception de la fibre microstructurée permet un éclairage uniforme sans précédent avec une intensité lumineuse élevée et constante dans les fibres optofluidiques, ce qui permet un suivi extrêmement long et encore plus précis d'objets minuscules. Nous évitons ainsi les variations d'intensité de la lumière qui se produisent généralement sur le bord extérieur d'un nanocanal. Markus A. Schmidt, directeur du département de recherche sur la photonique des fibres à l'IPHT de Leibniz, qui a découvert le nouveau mode d'éclairage avec son équipe et les connaissances des spécialistes du verre de quartz d'Heraeus.
Les connaissances acquises contribuent à l'optimisation de la méthode FaNTA pour la détection des plus petits nano-objets. Par exemple, les particules à diffusion rapide dans les sciences de la vie, telles que les virus, leur nombre et leur distribution de taille, ainsi que les réactions chimiques, par exemple lors de l'étude des mécanismes d'action des médicaments, peuvent être déterminés avec une grande précision.
Identification des plus petites nanoparticules mesurables
En outre, l'observation de processus et d'espèces de particules extrêmement petites devient de plus en plus importante dans l'industrie des semi-conducteurs pour la production de micropuces et l'identification d'impuretés. La méthode FaNTA permet également de suivre au microscope, avec une grande précision, ces processus à l'échelle nanométrique dans le domaine de la science des matériaux.
Lors d'essais expérimentaux avec des fibres optiques microstructurées, contenant des microcanaux fluidiques qui confinent de minuscules nano-objets, les chercheurs du Leibniz IPHT ont réussi à détecter la plus petite particule jamais mesurable avec FaNTA et ont ainsi exploré la limite de résolution de la méthode de mesure FaNTA dans son ensemble. Dans leurs expériences, qu'ils décrivent dans la revue Nature Communications, ils ont étudié des mélanges contenant de minuscules particules et ont pu caractériser avec une grande précision des nanoparticules extrêmement petites, se diffusant librement, d'un diamètre de seulement neuf nanomètres. Il s'agit du plus petit diamètre qui ait été déterminé jusqu'à présent pour une seule nanoparticule à l'aide de l'analyse de suivi des nanoparticules.
La méthode FaNTA offre donc la possibilité d'ouvrir des applications à l'échelle nanométrique jusqu'ici difficiles d'accès et, par exemple, de mieux surveiller la croissance des nanoparticules ou le contrôle de la qualité des médicaments à l'avenir.
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Publication originale
Fengji Gui, Shiqi Jiang, Torsten Wieduwilt, Ramona Scheibinger, Johannes Hofmann, Ronny Foerster, Markus A. Schmidt; "Light strands: exploring flat-field modes in optofluidic fibers for tracking single nano-objects"; Optica, Volume 10, 2023-6-6
Torsten Wieduwilt, Ronny Förster, Mona Nissen, Jens Kobelke, Markus A. Schmidt; "Characterization of diffusing sub-10 nm nano-objects using single anti-resonant element optical fibers"; Nature Communications, Volume 14, 2023-6-5
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