Les chercheurs du Leibniz IPHT ont réalisé des progrès significatifs dans le déchiffrement de minuscules nano-objets. À l’aide de fibres optiques spéciales, ils ont identifié un nouveau mode optique permettant un éclairage uniforme sur toute la longueur d’une fibre et déterminé la limite de résolution d’objets individuels pouvant être mesurés avec des fibres. Ils posent ainsi les bases d’une observation des nanoparticules avec une précision sans précédent. Les résultats de leurs études ont été publiés dans la revue Optica et Communications sur la nature .
Les méthodes basées sur les fibres constituent une approche prometteuse pour caractériser les nanoparticules à évolution rapide dans les domaines pharmaceutique, bioanalytique et des sciences des matériaux. En particulier, l'analyse de suivi des nanoparticules assistée par fibres (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. Des scientifiques de l'Institut Leibniz de technologie photonique (Leibniz IPHT) à Jena, en Allemagne, étudient les possibilités de la méthode FaNTA et son potentiel pour une grande variété d'applications à l'échelle nanométrique.
Dans le cadre de leurs recherches, les chercheurs ont démontré pour la première fois un nouveau mode optique dans les fibres de verre. Ce mode, identifié comme un brin léger, qu'ils décrivent dans la revue Optica , permet un éclairage extrêmement homogène et constant des 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 brin. Ainsi, l'échantillon à examiner, y compris les nano-objets qu'il contient, peut être éclairé de manière intensive et extrêmement homogène. La lumière diffusée par les nanoparticules individuelles permet d'observer la dynamique des objets particules avec une grande précision.
"Le brin de lumière façonné par la conception de la fibre microstructurée permet un éclairage uniforme sans précédent avec une intensité lumineuse élevée et constante dans les fibres optofluidiques, permettant un suivi extrêmement long et encore plus précis d'objets minuscules. De cette façon, nous évitons les variations d'intensité de la lumière qui se produisent généralement au bord extérieur d'un nanocanal. Cela nous permet de détecter de manière cohérente même les plus petites nanoparticules et d'obtenir ainsi une très grande précision de mesure", explique le professeur Markus A. Schmidt, chef du département de recherche en photonique sur fibre de Leibniz IPHT, qui a découvert le nouveau mode d'éclairage en collaboration avec son équipe et les connaissances expertes des spécialistes du verre de quartz d'Heraeus.
Les connaissances acquises contribuent à l'optimisation de la méthode FaNTA dans la détection des plus petits nano-objets. Par exemple, dans les sciences de la vie, les particules à diffusion rapide, telles que les virus, leur nombre et leur répartition en taille, ainsi que les réactions chimiques, par exemple lors de l'étude des mécanismes d'action des médicaments, peuvent être déterminées très précisément.
En outre, les observations de processus et d'espèces de particules extrêmement petites deviennent de plus en plus importantes dans l'industrie des semi-conducteurs pour la production de micropuces et l'identification des 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 de tests expérimentaux avec des fibres optiques microstructurées, contenant des microcanaux fluidiques qui confinent de minuscules nano-objets, les chercheurs de Leibniz IPHT ont réussi à détecter la plus petite particule jamais mesurable avec FaNTA et ainsi à explorer 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 de particules minuscules et ont pu caractériser avec une grande précision même des nanoparticules extrêmement petites et diffusant librement, d'un diamètre de seulement 9 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 ainsi le potentiel d'ouvrir des applications à l'échelle nanométrique jusqu'alors difficiles d'accès et, par exemple, de pouvoir à l'avenir suivre la croissance de nanoparticules ou le contrôle qualité des médicaments.
Plus d'informations : Fengji Gui et al, Light strands :exploration des modes de champ plat dans les fibres optofluidiques pour le suivi de nano-objets uniques, Optica (2023). DOI :10.1364/OPTICA.486144
Torsten Wieduwilt et al, Caractérisation de nano-objets diffusants inférieurs à 10 nm à l'aide de fibres optiques à élément anti-résonant unique, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-39021-3
Informations sur le journal : Communications naturelles , Optique
Fourni par Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
