Łącząc eksperymenty z obliczeniami i symulacjami, naukowcy z Niemiec uzyskali nowy wgląd w to, dlaczego umieszczanie przezroczystych mikrosfer na próbce poprawia rozdzielczość techniki mikroskopii opartej na interferometrii. Badając, w jaki sposób światło oddziałuje z mikrosferami, Lucie Hüser i współpracownicy z Uniwersytet w Kassel otworzyły drzwi do zrozumienia tajemniczego wzmocnienia.
Mikroskop interferometryczny Linnik jest przeznaczony do wykonywania zdjęć topografii powierzchni próbki w wysokiej rozdzielczości. Urządzenie działa na zasadzie podziału wiązki oświetlającego światła na dwie części, przy czym jedna wiązka jest wysyłana do próbki, a druga do lustra. Odbite wiązki są ponownie łączone w detektorze, tworząc obraz światła zakłócającego. Skanując wysokość próbki, uzyskuje się dokładne odwzorowanie topografii 3D próbki.
Jednak, podobnie jak wszystkie techniki mikroskopii, ta metoda napotyka na fundamentalne ograniczenie rozmiaru cech, które może rozróżnić. Wynika to z ograniczenia dyfrakcji, co oznacza, że technika ta nie może rozróżnić cech mniejszych niż połowa długości fali światła obrazującego.
Tajemniczy efekt
Jednak mikroskopiści od pewnego czasu wiedzą, że granicę dyfrakcji można pokonać, po prostu umieszczając przezroczyste kulki wielkości mikrona na powierzchni próbki. Okazało się, że jest to bardzo przydatna technika, ale pomimo jej skuteczności naukowcy nie w pełni rozumieją fizykę stojącą za ulepszeniem. Wyjaśnienia obejmują tworzenie wysoce skupionych nanodżetów fotonicznych, gdy światło przechodzi między mikrosferami a próbką; zwiększenie apertury numerycznej mikroskopu spowodowane przez mikrosfery; efekty bliskiego pola (zanikające); oraz wzbudzenie szepczących trybów światła w mikrosferach.
Mikroskopia o wysokiej rozdzielczości ujawnia maszynerię replikującą koronawirusa
Aby lepiej zrozumieć, dlaczego wzmocnienie mikrosfer działa w mikroskopii interferencyjnej, zespół Hüsera połączył rygorystyczne pomiary eksperymentalne z nowymi symulacjami komputerowymi. Obejmowały one obliczenia śledzenia promieni, które wykorzystują prostą matematykę do śledzenia zmian na ścieżkach wiązek światła przechodzących przez sfery.
Badanie sugeruje, że ulotne i szepczące efekty galerii są nieistotne, jeśli chodzi o poprawę rozdzielczości. Zamiast tego odkryli, że mikrosfery zwiększają efektywny rozmiar apertury numerycznej mikroskopu – co poprawia rozdzielczość instrumentu. Badania sugerują również, że nanodżety fotoniczne mogą być zaangażowane w poprawę rozdzielczości.
Wynik ten przybliża solidne podstawy teoretyczne dla optycznej mikroskopii interferencyjnej wzmocnionej mikrosferami. Hüser i współpracownicy mają nadzieję, że ich praca może wkrótce doprowadzić do lepszych metod szybkiego i nieinwazyjnego obrazowania powierzchni struktur mikroskopowych. Może to być szczególnie przydatne do sondowania delikatnych próbek, takich jak systemy biologiczne, których nie można badać za pomocą technik o wysokiej rozdzielczości, takich jak mikroskopia elektronowa i mikroskopia sił atomowych.
Badania opisano w Czasopismo Mikrosystemów Optycznych.
