Präziser Blick auf bewegliche Nanoteilchen

Um schnell bewegliche Nanopartikel in der Pharmazie, der Bioanalytik oder den Material­wissenschaften zu charakterisieren, stellen faser­basierte Methoden einen vielversprechenden Ansatz dar. Insbesondere die faser­unterstützte Nanopartikel-Tracking-Analyse (Fiber-assisted Nanoparticle Tracking Analysis, FaNTA) ermöglicht es, einzelne in Mikrokanäle optischer Fasern eingeschlossene Nanoobjekte gezielt mikroskopisch zu beobachten und ihre Größenverteilung präzise zu ermitteln. Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Techno­logien in Jena forschen an den Möglichkeiten des FaNTA-Verfahrens und ihren Potentialen für verschiedenste nanoskalige Anwendungen.

Im Rahmen ihrer Forschungsarbeiten konnten die Forschenden nun erstmals einen neuen optischen Mode in Glasfasern nachweisen. Dieser als Lichtstrang identifizierte Mode ermöglicht eine äußerst homogene und konstante Beleuchtung von diffundierenden Nanopartikeln entlang der gesamten Faser. Für die Erzeugung solcher Lichtintensitäten in optischen Fasern sind ausgeklügelte Nanostrukturierungen in Form von flüssigkeitsgefüllten Nanokanälen im Faserkern nötig, die zur Echtzeit-Erkennung und -Zählung von Nanoobjekten verwendet werden können. Um die Bildung des neuen Lichtmode in Fasern und seinen Vorteil für die FaNTA-Methode zu demonstrieren, statteten die Forschenden in experimentellen Studien eine optische Spezial­faser mit einem licht­leitenden Kanal in der Mitte des Faserkerns mit einem Durchmesser von 400 Nanometern aus, der mit einer flüssigen Lösung und darin eingeschlossenen Nanoobjekten gefüllt ist. 

Wird Licht in die Faser eingekoppelt, breitet sich dieses gleichmäßig entlang des integrierten Fluidkanals in Form eines Strangs aus. Infolgedessen kann die zu untersuchende Probe einschließlich der darin befindlichen Nanoobjekte intensiv und äußerst homogen beleuchtet werden. Das Licht, das von einzelnen Nanopartikeln gestreut wird, erlaubt schließlich, hochgenau Dynamiken der Partikel­objekte zu beobachten. „Der Lichtstrang, der durch das mikro­strukturierte Faserdesign geformt wird, ermöglicht eine bisher nicht dagewesene gleichmäßige Ausleuchtung mit konstant hoher Lichtintensität in optofluidischen Fasern und damit außerordentlich langes und noch präziseres Verfolgen winzig kleiner Objekte. Wir verhindern die Intensitäts­variationen des Lichts, die typischerweise am äußeren Rand eines Nanokanals auftreten. Dadurch können wir auch kleinste Nanopartikel konsistent detektieren und somit sehr hohe Mess­genauigkeiten erzielen“, erklärt Markus A. Schmidt, Leiter der Forschungs­abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zur Optimierung des FaNTA-Verfahrens bei der Detektion kleinster Nanoobjekte bei. So ließen sich zum Beispiel schnell diffundierende Partikel in den Biowissenschaften, wie Viren, deren Anzahl und Größenverteilung, sowie chemische Reaktionen, beispielsweise bei der Untersuchung von Wirk­mechanismen von Medikamenten, sehr genau bestimmen. Beobachtungen extrem kleiner Prozesse und Partikelspezis gewinnen darüber hinaus auch im Bereich der Halbleiter­industrie bei der Herstellung von Mikrochips und der Identifizierung von Verun­reinigungen an Bedeutung. Die FaNTA-Methode erlaubt, auch diese nanoskaligen Vorgänge im Bereich der Material­wissenschaften mit hoher Präzision mikroskopisch zu verfolgen.

In experimentellen Versuchen mit mikro­strukturierten optischen Fasern, in deren fluidische Mikrokanäle winzige Nanoobjekte eingeschlossen wurden, gelang es den Forschenden, das bisher kleinste mit FaNTA messbare Partikel aufzuspüren und damit die Auflösungsgrenze des FaNTA-Mess­verfahrens auszuloten. In ihren Experimenten untersuchten sie hierzu Gemische mit Kleinst­partikeln und konnten selbst extrem kleine, frei diffun­dierende Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur neun Nanometern mit beispielloser Präzision charakterisieren. Das entspricht dem kleinsten Durchmesser, der bisher für ein einzelnes Nanopartikel mithilfe der Nanopartikel-Tracking-Analyse festgestellt werden konnte. Damit bietet das FaNTA-Verfahren das Potential, auch bisher schwer zugängliche nanoskalige Anwendungen zu erschließen und beispielsweise das Wachstum von Nanopartikeln oder die Qualitätskontrolle von Arznei­mitteln in Zukunft noch besser überwachen zu können.

Leibniz-IPHT / JOL