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極小ナノ粒子を検出できる新しいセンサ

November, 10, 2021, Karlsruhe--カールスルーエ工科大学(KIT)の研究者は、ナノ粒子を検出できるだけでなく、その特性を決定し、その空間的運動を追跡できるセンサを開発した。
 研究チームは、極めて高感度で非常にコンパクトなディテクタ、新しいFabry-PérotをNature Communicastionsに発表した。

一般的な顕微鏡は、光の助けを借りて、微小な物体の構造の拡大画像を生成する。ナノ粒子は、サイズが微小であるため、ほとんど光を吸収、散乱しないので、それらは見えない。一方、光共振器は、光とナノ粒子の相互作用を強化する。共振器は、2つのミラーの間で何千回も光を反射させることで小さな空間に光をトラップし続ける。トラップされた光場にナノ粒子が存在すると、そのナノ粒子は何千回も光と相互作用し、光強度の変化が計測可能になる。「光場は、空間の異なる点で異なる強度であるので、われわれは3D空間でナノ粒子の位置について結論を引き出せる」と、KIT物理学研究所、Dr. Larissa Kohlerは説明している。

共振器によりナノ粒子の動きが見えるようになる
「ナノ粒子が水中にあるとき、それは水分子と衝突する。水分子は熱エネルギーにより任意の方向に動く。その影響の結果として、ナノ粒子は,ある種の振動をする。われわれは、これをブラウン運動と理解することができる」(Kohler)。「これまで、光共振器でナノ粒子の空間運動を追跡できなかった。その粒子が光場に存在するか否かが言えるだけだった」。それに加えて、新しいファイバベースFabry-Pérot共振器は、内部に、ガラスファイバの両端に高反射ミラーを設置しすると、3次元的運動から粒子の流体力学半径決定の可能性が開けるので、水和殻周囲の厚さが抽出できる。これは重要である。それがナノ粒子の特性を変えるからである。「例えば、水和殻のために、この殻なしでは小さすぎるナノ粒子は、依然として検出可能である」(Kohler)。タンパク質周囲に水和殻、あるいは他の生物学的ナノ粒子も生物学的プロセスに影響を与える。

センサにより生物学的プロセスが洞察可能に
研究チームは、将来的に、その共振器の活用可能性は、高い時間分解能で3D動作の検出、タンパク質、DNAオリガミあるいはウイルスなどの生物学的ナノ粒子の光特性の評価にあると見ている。
(詳細は、https://www.kit.edu)