Grafene

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1975 (2023) Citare questo articolo

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Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 14 marzo 2023

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Questo lavoro propone un nuovo design composto da pinzette optofluidiche basate su nanonastri di grafene per manipolare e ordinare bioparticelle con raggi inferiori a 2,5 nm. La struttura suggerita è stata studiata numericamente mediante il metodo FDTD (delle differenze finite nel dominio del tempo) utilizzando l'analisi del tensore dello stress di Maxwell (MST). Per ottenere la risposta elettrostatica della struttura proposta è stato utilizzato il metodo degli elementi finiti (FEM). Il percorso principale della pinzetta è un canale primario al centro della struttura, dove il flusso microfluidico traduce la nanoparticella verso questo canale. Per quanto riguarda la forza di trascinamento del microfluido, le nanoparticelle tendono a muoversi lungo il canale principale. I nanonastri di grafene sono fissati vicino al canale principale a diverse distanze per esercitare forze ottiche sulle nanoparticelle in movimento nella direzione perpendicolare. A questo proposito, i sottocanali incorporati nello strato hBN sul substrato di Si deviano le bioparticelle dal percorso principale per particolari dimensioni e indici di nanoparticelle. All’interno e attorno ai nastri di grafene vengono realizzati punti caldi intensi con miglioramenti del campo elettrico fino a 900 volte più grandi della luce incidente. La regolazione della distanza tra il nanoribbon di grafene e il canale principale ci consente di separare la singola particella con una dimensione specifica dalle altre, guidandola così nel sottocanale desiderato. Inoltre, abbiamo dimostrato che in una struttura con un ampio divario tra i canali, le particelle sperimentano un’intensità di campo debole, che porta a una forza ottica bassa che non è sufficiente per rilevare, intrappolare e manipolare le nanoparticelle. Variando il potenziale chimico del grafene associato alle variazioni dell'intensità del campo elettrico nei nastri di grafene, abbiamo realizzato la possibilità di sintonizzazione nello smistamento delle nanoparticelle mentre i parametri strutturali rimanevano costanti. Infatti, regolando il livello di Fermi del grafene tramite la tensione di gate applicata, le nanoparticelle con qualsiasi raggio desiderato verranno rapidamente smistate. Inoltre, abbiamo dimostrato che la struttura proposta potrebbe classificare le nanoparticelle in base ai loro indici di rifrazione. Pertanto, la pinzetta optofluidica in dotazione può rilevare facilmente bioparticelle, come cellule tumorali e virus di piccole dimensioni.

Lo sviluppo di sistemi microfluidici e optofluidici scatenerà una rivoluzione in diversi campi come la fisica, la biologia, la chimica, la medicina e la fotonica. Le caratteristiche uniche di tali sistemi fluidici includono prestazioni veloci e non distruttive, basso costo, alta efficienza, molteplici applicazioni e ingombro compatto. Inoltre, i sistemi di smistamento cellulare microfluidico hanno ricevuto molta attenzione con una varietà di metodi per il controllo attivo dei movimenti o del flusso cellulare, come la mobilitazione elettrocinetica dei fluidi per lo smistamento delle cellule batteriche1,2 e le forze dielettroforetiche3. Tuttavia, la vulnerabilità delle cellule sotto campi molto intensi, bassa velocità e incompatibilità dei buffer compromette l’efficienza dei progetti microfluidici convenzionali. Un'altra tecnica per manipolare e ordinare le cellule nel controllo del flusso idrodinamico si basa su chip o off-chip, che viene utilizzato per ordinare le cellule viventi a causa della minore vulnerabilità delle cellule sotto un campo elettrico elevato. Tuttavia, questo metodo risente del tempo di ciclo lento dell'interruttore meccanico e del volume relativamente grande di fluidi in ciascun ciclo4,5.

In questa linea di ricerca, le pinzette ottiche per l'intrappolamento e la manipolazione delle cellule sono state introdotte per la prima volta da Ashkin et al. nel 19876. È stata studiata la pressione di radiazione di un raggio laser focalizzato risultante dalle variazioni della quantità di moto della luce per intrappolare o spingere una singola cellula o particella in un mezzo fluidico senza alcun contatto fisico. La forza imposta su una particella dipende dalle dimensioni e dalle proprietà ottiche della particella, nonché dal mezzo fluidico circostante. Questo metodo indotto otticamente ha aperto un nuovo approccio promettente alle reti di smistamento cellulare in un mezzo microfluidico. Il primo sistema di smistamento a cella singola è stato introdotto at7, consentendo alle singole cellule di essere intrappolate o ordinate da forze ottiche imposte. Pertanto, questa tecnica ha risolto i problemi citati riguardo alla sua natura non invasiva e alla capacità di operare con una singola cellula.