08.12.2022

Glasfaser vermessen Nanoteilchen effizient

Neues Design für lange Beobachtungen vieler Nanopartikel in einer Flüssigkeit.

Ob Wasseranalytik, Impfstoffherstellung oder die Untersuchung biologischer Proben – Gemische von Kleinst­partikeln kommen in nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens vor und setzen sich aus einer Vielzahl verschiedener winzig kleiner Objekte in flüssigen Umgebungen zusammen. Die genaue Bestimmung einzelner Bestandteile eines solchen feinen Partikel­gemisches innerhalb einer Flüssigkeit stellt die Wissenschaft vor Heraus­forderungen – vor allem in Bezug auf die Breite ihrer Größen­verteilung und das Vorhandensein verschiedener Partikel­spezies, die sich in ihrer Größe nur geringfügig unterscheiden. Eine am Leibniz-IPHT entwickelte mikro­strukturierte Glasfaser – Ein­elementige-Anti­resonanz-Faser – bietet das Potential, die Mess­genauigkeit der Größen­charakterisierung von Nano­objekten deutlich zu verbessern.

Abb.: Konzept der Nanopartikel­analyse mittels lichtführender...
Abb.: Konzept der Nanopartikel­analyse mittels lichtführender Hohlkern-Glasfaser: Das Streulicht der Partikel durchdringt die Faserwand, wird von einem Objektiv gesammelt und dient der Positions­bestimmung. (Bild: M. Nissen / Wiley-VCH)

Mit der optischen Spezialfaser lassen sich Nanoobjekte in wässriger Lösung mit einem Durchmesser kleiner als zwanzig Nanometer einschließen, einzeln verfolgen und deren Größe exakt bestimmen. Damit wird die Voraussetzung geschaffen, Größen­verteilungen von Nanopartikeln in Gemischen präzise analysieren zu können. Hierzu verfügt die Glasfaser über einen dünnwandigen und daher licht­leitenden Mikrokanal von 17 Mikrometern Durchmesser. Für die Untersuchung einer Probe wird die Partikel­flüssigkeit mit der Hohlkernfaser in Kontakt gebracht, die sich infolge der Kapillar­kraft mit der Flüssigkeits­probe füllt. Das eingekoppelte Licht wird entlang des inte­grierten Fluidkanals der Faser geführt. Durch die nur 756 Nanometer dicke Glaswand können die zu untersuchende Probe und die darin befind­lichen Nanoobjekte intensiv und gleichmäßig beleuchtet werden.

Das von einzelnen Nanopartikeln gestreute Licht ermöglicht die Verfolgung ihrer Position und damit hochgenaue mikro­skopische Beobachtungen. „Mit unserer neuen faser­optischen Methode lassen sich einzelne Objekte im Nanometer­maßstab über lange Zeiträume verfolgen. Das ermöglicht uns, deren Größe außerordentlich präzise und zuverlässig zu bestimmen, so dass wir einzelne Komponenten in einem Gemisch genau charak­terisieren können“, erklärt Mona Nissen, Doktorandin in der Abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT. 

In experimentellen Studien mit Gemischen von Partikeln mit geringer Größen­differenz, bestehend aus Polystyrol-Nanokugeln mit mittleren Durchmessern von 100 und 125 Nanometern, konnten die Forschenden eine hohe präzise Charakterisierung mithilfe der neuartigen Glasfaser zeigen. Sowohl in monodispersen Partikel­mischungen mit Nanoobjekten einer Spezies und Größenklasse als auch in polydispersen Partikel­kompositionen mit Objekten unter­schiedlicher Eigenschaften und Größen konnten die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler die Größen­verteilung äußerst genau messen sowie einzelne Komponenten identifizieren.

Der vorgestellte faser­optische Ansatz bietet das Potential, in nano­technologischen Anwendungen im Bereich der Umwelt- und Bioanalytik sowie in Chemie und Medizin zur Größenkontrolle von Nanopartikeln Einsatz zu finden. Anwendungs­szenarien sehen die Forschenden beispielsweise bei der Untersuchung von Gewässern auf Mikroplastik-Rückstände, der Analyse von Patienten­proben, wie zum Beispiel Urin, der Beobachtung von Synthese­produkten in den chemischen Wissen­schaften oder der Entwicklung von Medikamenten.

IPHT / JOL

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