Optical nanoparticle filtering by using radiation forces

Abstract

In this study, it is aimed to filter nano-sized particles using light radiation pressure explicitly scattering and gradient forces. The light wave exerts momentum when encounters to the particles inside a solution. This momentum provides pulling force towards the high-intensity point as a result of gradient force and thrust in the direction of propagation resulting from scattering force. By controlling these two forces, the particles which have dissimilar properties can be moved to distinct directions. In this way, we have experimentally shown that two different particles can be separated from one another. It has been shown mathematically that separation of two particles based on size, material properties and geometry using radiation forces. Size-based particle filtration was performed with experimental studies on particles of different sizes. A threshold dimension value was assumed between 100 nm and 200 nm so that these particles could be separated from each other, and a design has been developed such that smaller particles are attracted towards the high-intensity point of the light with gradient force effect and larger particles are thrust in the direction of light propagation with scattering force. This setup was tested for silica particles of size 87 nm, 100 nm, 120 nm, 200 nm and 340 nm. Particles smaller than this threshold value were accumulated around the high-intensity region of light, while the larger ones continued to flow in the liquid. It has been experimentally shown that the nearest 120 nm and 200 nm particles were separated from each other. This study shows that particles with a difference of 80 nm in size can be filtered using radiation forces. Finally, blood samples were used in experimental studies. It is shown that the thrombocyte, lymphocyte and erythrocyte cells contained in the blood can be separated from each other using radiation forces.

Bu çalışmada ışığın radyasyon kuvvetleri yardımı ile nano boyuttaki partiküllerin filtrelenmesi amaçlanmıştır. Işık parçacıkla etkileşim sırasında parçacığa momentum kazandırır. Bu momentum parçacıkları ışığın yoğun olduğu noktaya doğru çeken gradyant kuvvetini ve ışığın yayılma yönünde iteren saçılma kuvvetini oluşturur. Bu iki kuvveti kontrol ederek farklı özelliklere sahip iki partikülü farklı yönlerde hareket ettirerek, birbirinden ayrıştırılabileceği gösterilmiştir. Bu method ile boyutsal bazda, malzeme özellikleri bazında ve şekilsel bazda ayrışım yapılabileceği teorik olarak gösterilmiştir. Farklı boyuttaki partiküller üzerinde yürütülen deneysel çalışmalar ile boyut bazında partikül fitrelemesi gerçekleştirilmiştir. Parçacıkların boyutsal bazda birbirinden ayrıştırılması için 100 nm ve 200 nm boyutları arasında bir boyut eşik değer olarak kabul edilmiştir ve bu eşikten daha küçük boyutlardaki partikülleri ışığın yüksek yoğunluk bölgesine doğru çekerek tutacak, daha büyük boyuttaki partikülleri de ışığın yayılma yönünde iterek uzaklaştıracak bir tasarım geliştirilmiştir. 87 nm, 100 nm, 120 nm, 200 nm ve 340 nm boyutlarındaki silikalar üzerinde deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel olarak, eşik boyutun altındaki silikaların gönderilen ışığın çevresinde tutulduğu, daha büyük boyutlardaki silika partiküllerin ise doğal akışlarına devam ettiği gözlemlenmiştir. Deneysel çalışmalarda boyutsal olarak birbirine en yakın 120 nm ve 200 nm boyutlarındaki partiküllerin birbirlerinden ayrıştırılması gözlemlenmiştir. Yapılan deney sonuçlarına göre aralarında 80 nm boyut farkı olan partikülleri birbirlerinden ayırmak mümkündür. Son olarak, kan örnekleri ile deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Işığın hücreler üzerinde oluşturduğu radyasyon kuvvetleri ile kandaki trombositlerin, lenfosit ve kırmızı kan hücrelerinden ayrıştırılabileceği gösterilmiştir.