Ved at kombinere eksperimenter med beregninger og simuleringer har forskere i Tyskland fået ny indsigt i, hvorfor placering af transparente mikrosfærer på en prøve forbedrer opløsningen af en interferometri-baseret mikroskopiteknik. Ved at undersøge, hvordan lys interagerer med mikrosfærerne, har Lucie Hüser og kolleger ved Universitetet i Kassel har åbnet døren til at forstå den mystiske forbedring.
Et Linnik interferometermikroskop er designet til at tage billeder i høj opløsning af overfladetopografien af en prøve. Enheden fungerer ved at dele en stråle af oplysende lys i to, hvor den ene stråle sendes til prøven og den anden til et spejl. De reflekterede stråler rekombineres ved en detektor, hvilket skaber et billede af det forstyrrende lys. Ved at scanne højden af prøven opnås en nøjagtig repræsentation af prøvens 3D-topografi.
Men som alle mikroskopiteknikker står denne metode over for en fundamental grænse i størrelsen af funktioner, den kan løse. Dette er et resultat af diffraktionsgrænsen, hvilket betyder, at teknikken ikke kan løse funktioner, der er mindre end halvdelen af bølgelængden af det billeddannende lys.
Mystisk effekt
Mikroskopister har dog i nogen tid vidst, at diffraktionsgrænsen kan overvindes ved blot at placere transparente kugler i mikronstørrelse på overfladen af en prøve. Dette har vist sig at være en meget nyttig teknik, men på trods af dens effektivitet forstår forskerne ikke fuldt ud fysikken bag forbedringen. Forklaringer omfatter skabelsen af højtfokuserede fotoniske nanostråler, når lys passerer mellem mikrosfærerne og prøven; en stigning i den numeriske åbning af mikroskopet, der er forårsaget af mikrosfærerne; nærfeltseffekter; og excitationen af hviskende-galleri-lystilstande i mikrosfærerne.
Superopløsningsmikroskopi afslører coronavirus-replikerende maskineri
For at få en bedre forståelse af, hvorfor mikrosfæreforbedring virker til interferensmikroskopi, kombinerede Hüsers team strenge eksperimentelle målinger med nye computersimuleringer. Disse inkluderede strålesporingsberegninger, der bruger simpel matematik til at spore ændringer i lysstrålernes veje, der rejser gennem kuglerne.
Undersøgelsen tyder på, at de forsvindende og hviskende gallerieffekter er ubetydelige, når det kommer til opløsningsforbedring. I stedet fandt de ud af, at mikrosfærerne øger den effektive størrelse af mikroskopets numeriske blænde - hvilket forbedrer instrumentets opløsning. Forskningen tyder også på, at fotoniske nanostråler kan være involveret i forbedringen af opløsningen.
Dette resultat bringer et robust teoretisk grundlag for mikrosfæreforstærket optisk interferensmikroskopi et skridt nærmere. Hüser og kolleger håber, at deres arbejde snart kan føre til bedre metoder til hurtig og ikke-invasiv billeddannelse af overfladerne på mikroskopiske strukturer. Dette kan især være nyttigt til at sondere sarte prøver, såsom biologiske systemer, der ikke kan studeres med højopløsningsteknikker såsom elektronmikroskopi og atomkraftmikroskopi.
Forskningen er beskrevet i Journal of Optical Microsystems.
