Ved å kombinere eksperimenter med beregninger og simuleringer har forskere i Tyskland fått ny innsikt i hvorfor det å plassere transparente mikrosfærer på en prøve forbedrer oppløsningen til en interferometri-basert mikroskopiteknikk. Ved å undersøke hvordan lys interagerer med mikrosfærene, har Lucie Hüser og kolleger ved Universitetet i Kassel har åpnet døren for å forstå den mystiske forbedringen.
Et Linnik interferometermikroskop er designet for å ta høyoppløselige bilder av overflatetopografien til en prøve. Enheten fungerer ved å dele en stråle med lysende lys i to, med en stråle sendt til prøven og den andre til et speil. De reflekterte strålene blir rekombinert ved en detektor, og skaper et bilde av det forstyrrende lyset. Ved å skanne høyden på prøven oppnås en nøyaktig representasjon av 3D-topografien til prøven.
Imidlertid, som alle mikroskopiteknikker, står denne metoden overfor en grunnleggende grense i størrelsen på funksjonene den kan løse. Dette er et resultat av diffraksjonsgrensen, som betyr at teknikken ikke kan løse funksjoner som er mindre enn halvparten av bølgelengden til bildelyset.
Mystisk effekt
Imidlertid har mikroskopister visst i noen tid at diffraksjonsgrensen kan overvinnes ved ganske enkelt å plassere gjennomsiktige kuler på mikronstørrelse på overflaten av en prøve. Dette har vist seg å være en veldig nyttig teknikk, men til tross for dens effektivitet, forstår ikke forskere fullt ut fysikken bak forbedringen. Forklaringer inkluderer opprettelsen av høyt fokuserte fotoniske nanostråler når lys passerer mellom mikrosfærene og prøven; en økning i den numeriske blenderåpningen til mikroskopet som er forårsaket av mikrosfærene; nærfelts (flyktige) effekter; og eksitasjonen av hviskende-galleri-lysmoduser i mikrosfærene.
Superoppløsningsmikroskopi avslører koronavirus-replikerende maskineri
For å få en bedre forståelse av hvorfor mikrosfæreforbedring fungerer for interferensmikroskopi, kombinerte Hüsers team strenge eksperimentelle målinger med nye datasimuleringer. Disse inkluderte strålesporingsberegninger som bruker enkel matematikk for å spore endringer i banene til lysstråler som beveger seg gjennom kulene.
Studien antyder at de flyktige og hviskende gallerieffektene er ubetydelige når det gjelder oppløsningsforbedring. I stedet fant de ut at mikrosfærene øker den effektive størrelsen på den numeriske blenderåpningen til mikroskopet – noe som forbedrer oppløsningen til instrumentet. Forskningen tyder også på at fotoniske nanostråler kan være involvert i forbedringen av oppløsningen.
Dette resultatet bringer et robust teoretisk grunnlag for mikrosfæreforbedret optisk interferensmikroskopi et skritt nærmere. Hüser og kollegene håper at arbeidet deres snart kan føre til bedre metoder for rask og ikke-invasiv avbildning av overflatene til mikroskopiske strukturer. Dette kan være spesielt nyttig for å sondere delikate prøver, som biologiske systemer, som ikke kan studeres med høyoppløselige teknikker som elektronmikroskopi og atomkraftmikroskopi.
Forskningen er beskrevet i Journal of Optical Microsystems.
