Используя возможности оптического пинцета, похожие на нанотракторный луч, исследователи из Мельбурнского университета, Австралия, и Университета науки и технологий Хуачжун, Китай, разработали полностью кремниевую наноантенну для улавливания отдельных квантовых точек, взвешенных в микрофлюидной камере. Группа представит свою работу на конференции Frontiers in Optics + Laser Science APS / DLS (FIO + LS), которая состоится 17-21 сентября 2017 года в Вашингтоне, округ Колумбия.
«Обычные оптические пинцеты, основанные на лазерных лучах, плотно сфокусированных на небольших точках с помощью линз микроскопов, позволяют обрабатывать материалы точным и бесконтактным способом», – сказал Кеннет Крозье, профессор Мельбурнского университета и член исследовательской группы. "Однако захват очень маленьких объектов затруднен из-за того, что сила захвата приблизительно зависит от объема частицы и мала по сравнению с эффектом случайного броуновского движения."
Захват таких небольших объектов в биологически полезную конструкцию становится еще более трудным из-за потенциально разрушительных тепловых эффектов использования металлических антенн для фокусировки улавливающих полей. «Здесь мы демонстрируем захват очень маленького объекта (а именно квантовой точки) с помощью полностью кремниевой наноантенны», – сказал Крозье. «Мы буквально могли видеть одиночные квантовые точки, захваченные нашей наноантенной, и снимать фильмы, демонстрирующие их движение."
Новые наноантенны, каждая из которых состоит из кремниевого кольца, окружающего пару кремниевых цилиндров, изготавливаются методом электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления. Структура концентрирует инфракрасный свет, используемый для захвата квантовых точек, в небольшой зазор 50 нанометров между цилиндрами.
Крозье и его группа проверили свою антенну, прикрепив микрожидкостную камеру, заполненную квантовыми точками CdSe / ZnS, взвешенными в буферном растворе, к кремниевому чипу. Это было установлено в оптическом микроскопе, где падающий зеленый свет стимулировал флуоресценцию сигнатуры квантовых точек, а камера CCD фиксировала захват в действии.
«Судя по моделированию, которое мы проводили до экспериментов, мы ожидали, что это сработает, но мы не были уверены», – сказал Крозье. «Было очень интересно увидеть, как отдельные квантовые точки оказались в ловушке, когда мы действительно проводили эксперименты.«С частотой кадров 30 кадров в секунду они смогли записать на видео захват одиночной флуоресцентной квантовой точки кремниевой антенной на своем чипе с микрожидкостной связью.
«Мы использовали низкие концентрации частиц, потому что хотели убедиться, что имеем дело с одиночными квантовыми точками», – сказал Чже «Кельвин» Сюй, докторант Мельбурнского университета, проводивший эксперименты. "Это означало, что нам обычно приходилось ждать некоторое время для каждого события захвата квантовых точек, порядка одного часа.
И, конечно же, это означает, что нам нужно было быть очень внимательными во время экспериментов, чтобы не пропустить эти события отлова."
Фактически, низкая концентрация квантовых точек, требовавшая такого терпения, выдвигает на первый план более общую проблему биочувствительности, которую может решить их новый подход к улавливанию. Согласно Крозье, классическая проблема наносенсоров, которые обнаруживают вещества в низких концентрациях, заключается в том, что малая чувствительная область ограничивает скорость доставки молекул.
Теперь, благодаря мощности (оптической) силы, потенциальное использование наноантенн будет заключаться в увеличении потока молекул или других объектов на наносенсоры.
«Возможность непосредственно наблюдать процесс захвата через наш микроскоп заставила нас задуматься о применении этого к другим наноматериалам», – сказал Крозье.
Что касается будущих приложений, мир наносенсинга еще предстоит изучить. "Было бы очень интересно поймать одну биологическую молекулу с помощью нашей антенны и непосредственно наблюдать этот процесс захвата. Это также может предоставить полезную информацию, которая поможет приложению наносенсора."