Mikrostrukturierte Faser misst die Größe von Nanopartikeln

Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben ein neues Glasfaserdesign entwickelt, das außergewöhnlich lange Beobachtungen einer großen Zahl einzelner, sich frei bewegender Nanopartikel in einer Flüssigkeit ermöglicht. Damit lässt sich die Größenverteilung von Nanoobjekten in einer Probe noch genauer bestimmen. Damit legen die Wissenschaftler den Grundstein für eine noch bessere Erforschung umwelt- und bioanalytischer Fragestellungen in der Zukunft.

Ob Wasseranalyse, Impfstoffherstellung oder die Untersuchung biologischer Proben – Gemische kleinster Partikel kommen in fast allen Bereichen des täglichen Lebens vor und setzen sich in flüssigen Umgebungen aus einer Vielzahl unterschiedlicher winziger Objekte zusammen.

Die genaue Bestimmung einzelner Bestandteile eines solch feinen Partikelgemisches innerhalb einer Flüssigkeit (Dispersion) stellt die Wissenschaft vor Herausforderungen – insbesondere im Hinblick auf die Breite ihrer Größenverteilung und das Vorhandensein verschiedener Partikelarten, die sich nur geringfügig in der Größe unterscheiden. Eine am Leibniz-IPHT entwickelte neue mikrostrukturierte Glasfaser (Single Antiresonant Element Fiber) bietet das Potenzial, die Messgenauigkeit der Größencharakterisierung von Nanoobjekten deutlich zu verbessern.

Neue optische Faser für hochpräzise Analysen

Mit der am Jenaer Institut realisierten speziellen Lichtleitfaser lassen sich Nanoobjekte in wässriger Lösung mit einem Durchmesser kleiner als 20 Nanometer einschließen, einzeln verfolgen und ihre Größe genau bestimmen. Damit können Forscher Größenverteilungen von Nanopartikeln in Mischungen genau analysieren. Dazu besitzt die Glasfaser einen dünnwandigen und damit lichtleitenden Mikrokanal von 17 Mikrometern Durchmesser.

Zur Untersuchung einer Probe wird die Partikelflüssigkeit mit der Hohlfaser in Kontakt gebracht, die sich durch Kapillarkraft mit der Flüssigkeitsprobe füllt. Das eingekoppelte Licht wird entlang des integrierten Fluidkanals der Faser geführt. Die nur 756 Nanometer dicke Glaswand ermöglicht eine intensive und gleichmäßige Beleuchtung der zu untersuchenden Probe und der darin enthaltenen Nanoobjekte.

Das von einzelnen Nanopartikeln gestreute Licht lässt deren Position verfolgen und ermöglicht so hochgenaue mikroskopische Beobachtungen. „Mit unserem neuen faseroptischen Verfahren lassen sich einzelne nanoskalige Objekte über lange Zeiträume verfolgen. Auf diese Weise können wir ihre Größe äußerst genau und zuverlässig bestimmen, um einzelne Bestandteile in einem Gemisch zu charakterisieren“, erklärt Mona Nissen , Doktorand in der Abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT.

In experimentellen Untersuchungen mit Mischungen von Partikeln mit geringem Größenunterschied, bestehend aus Polystyrol-Nanokugeln mit mittleren Durchmessern von 100 und 125 Nanometern, konnten die Forscher mit der neuartigen optischen Faser eine hochpräzise Charakterisierung demonstrieren. Sowohl in monodispersen Partikelgemischen mit Nanoobjekten einer Spezies und Größenklasse als auch in polydispersen Partikelzusammensetzungen mit Objekten unterschiedlicher Eigenschaften und Größe konnten die Wissenschaftler die Größenverteilung genau vermessen und einzelne Bestandteile identifizieren.

Nanoskalige Anwendungen

Der vorgestellte faseroptische Ansatz bietet das Potenzial, in nanotechnologischen Anwendungen im Bereich der Umwelt- und Bioanalytik sowie in Chemie und Medizin zur Größenkontrolle von Nanopartikeln eingesetzt zu werden. Anwendungsszenarien sehen die Forscher beispielsweise in der Untersuchung von Wässern auf Mikroplastik-Rückstände, der Analyse von Patientenproben wie Urin, der Beobachtung von Syntheseprodukten in den chemischen Wissenschaften oder der Entwicklung von Medikamenten.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Klein.