Grafeno

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1975 (2023) Citar este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 14 de março de 2023

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Este trabalho propõe um novo design composto por pinças optofluídicas baseadas em nanofitas de grafeno para manipular e classificar biopartículas com raios abaixo de 2,5 nm. A estrutura sugerida foi investigada numericamente pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) empregando a análise de tensores de Maxwell (MST). O método dos elementos finitos (MEF) foi utilizado para obter a resposta eletrostática da estrutura proposta. O caminho principal da pinça é um canal primário no centro da estrutura, onde o fluxo microfluídico traduz a nanopartícula em direção a este canal. Em relação à força de arrasto do microfluido, as nanopartículas tendem a se mover ao longo do canal principal. As nanofitas de grafeno são fixadas perto do canal principal em diferentes distâncias para exercer forças ópticas nas nanopartículas em movimento na direção perpendicular. A este respeito, os subcanais incorporados na camada de hBN no substrato de Si desviam as biopartículas do caminho principal para tamanhos e índices de nanopartículas particulares. Pontos quentes intensos com aprimoramentos de campo elétrico até 900 vezes maiores que a luz incidente são realizados dentro e ao redor das fitas de grafeno. Ajustar a distância do gap entre a nanofita de grafeno e o canal principal nos permite separar a partícula individual com um tamanho específico de outras, guiando-a assim no subcanal desejado. Além disso, demonstramos que em uma estrutura com um grande intervalo entre os canais, as partículas experimentam uma fraca intensidade de campo, levando a uma baixa força óptica que é insuficiente para detectar, capturar e manipular nanopartículas. Ao variar o potencial químico do grafeno associado às variações de intensidade do campo elétrico nas fitas de grafeno, percebemos a sintonização na classificação de nanopartículas enquanto os parâmetros estruturais permaneceram constantes. De fato, ao ajustar o nível de Fermi do grafeno por meio da tensão de porta aplicada, as nanopartículas com qualquer raio desejado serão rapidamente classificadas. Além disso, mostramos que a estrutura proposta pode classificar as nanopartículas com base em seus índices de refração. Portanto, a pinça optofluídica fornecida pode detectar facilmente biopartículas, como células cancerígenas e vírus de tamanho minúsculo.

O desenvolvimento de sistemas microfluídicos e optofluídicos vai desencadear uma revolução em diferentes campos, como física, biologia, química, medicina e fotônica. As características únicas de tais sistemas fluídicos incluem desempenho rápido e não destrutivo, baixo custo, alta eficiência, múltiplas aplicações e tamanho compacto. Além disso, os sistemas de classificação de células microfluídicas receberam muita atenção com uma variedade de métodos para controle ativo de movimentos ou fluxo de células, como mobilização eletrocinética de fluidos para classificação de células bacterianas1,2 e forças dieletroforéticas3. No entanto, a vulnerabilidade das células sob campos altamente intensos, baixa velocidade e incompatibilidades de buffer prejudica a eficiência dos projetos microfluídicos convencionais. Outra técnica para manipular e classificar células no controle de fluxo hidrodinâmico é baseada no chip ou fora do chip, que é utilizado para classificar células vivas devido à menor vulnerabilidade das células sob um alto campo elétrico. No entanto, esse método sofre com o tempo de ciclo lento da chave mecânica e o volume relativamente grande de fluidos em cada ciclo4,5.

Nesta linha de pesquisa, pinças ópticas para captura e manipulação de células foram introduzidas pela primeira vez por Ashkin et al. em 19876. A pressão de radiação de um feixe de laser focalizado resultante das variações do momento da luz foi investigada para prender ou empurrar uma única célula ou partícula em um meio fluídico sem qualquer contato físico. A força imposta a uma partícula depende do tamanho e das propriedades ópticas da partícula, bem como do meio fluídico circundante. Este método induzido opticamente abriu uma nova abordagem promissora para redes de classificação de células em um meio microfluídico. O primeiro sistema de classificação de célula única foi introduzido no at7, permitindo que as células individuais fossem capturadas ou classificadas por forças ópticas impostas. Assim, esta técnica resolveu os problemas mencionados em relação à sua natureza não invasiva e capacidade de operar com uma única célula.