Z združevanjem poskusov z izračuni in simulacijami so raziskovalci v Nemčiji pridobili nove vpoglede v to, zakaj postavitev prozornih mikrosfer na vzorec izboljša ločljivost mikroskopske tehnike, ki temelji na interferometriji. S preučevanjem interakcije svetlobe z mikrosferami so Lucie Hüser in sodelavci na Univerza v Kasselu so odprli vrata razumevanju skrivnostne izboljšave.
Interferometrski mikroskop Linnik je zasnovan za zajemanje slik visoke ločljivosti topografije površine vzorca. Naprava deluje tako, da žarek svetleče svetlobe razdeli na dva dela, pri čemer en žarek pošlje v vzorec, drugi pa v ogledalo. Odbiti žarki se rekombinirajo na detektorju in ustvarijo sliko interferenčne svetlobe. S skeniranjem višine vzorca dobimo natančen prikaz 3D topografije vzorca.
Vendar pa se, tako kot vse mikroskopske tehnike, tudi ta metoda sooča s temeljno omejitvijo velikosti funkcij, ki jih lahko razreši. To je posledica meje uklona, kar pomeni, da tehnika ne more razrešiti značilnosti, ki so manjše od polovice valovne dolžine slikovne svetlobe.
Skrivnostni učinek
Vendar mikroskopisti že nekaj časa vedo, da je uklonsko mejo mogoče premagati tako, da na površino vzorca preprosto položimo prozorne krogle mikronske velikosti. To se je izkazalo za zelo uporabno tehniko, vendar kljub njeni učinkovitosti raziskovalci ne razumejo popolnoma fizike, ki stoji za izboljšavo. Razlage vključujejo ustvarjanje visoko osredotočenih fotonskih nanojcev, ko svetloba prehaja med mikrosferami in vzorcem; povečanje numerične aperture mikroskopa, ki ga povzročijo mikrosfere; učinki bližnjega polja (nezvočni); in vzbujanje načinov svetlobe šepetajoče galerije znotraj mikrosfer.
Mikroskop visoke ločljivosti razkriva stroje za razmnoževanje koronavirusa
Da bi bolje razumeli, zakaj izboljšanje mikrosfer deluje za interferenčno mikroskopijo, je Hüserjeva ekipa združila stroge eksperimentalne meritve z novimi računalniškimi simulacijami. Ti vključujejo izračune sledenja žarkom, ki uporabljajo preprosto matematiko za sledenje spremembam v poteh svetlobnih žarkov, ki potujejo skozi krogle.
Študija nakazuje, da so učinki bledeče in šepetajoče galerije zanemarljivi, ko gre za izboljšanje ločljivosti. Namesto tega so ugotovili, da mikrokroglice povečajo efektivno velikost numerične odprtine mikroskopa – kar izboljša ločljivost instrumenta. Raziskava tudi nakazuje, da so lahko fotonski nanojki vključeni v izboljšanje ločljivosti.
Ta rezultat prinaša robustno teoretično podlago za optično interferenčno mikroskopijo, izboljšano z mikrosferami, korak bližje. Hüser in sodelavci upajo, da bo njihovo delo kmalu pripeljalo do boljših metod za hitro in neinvazivno slikanje površin mikroskopskih struktur. To bi lahko bilo še posebej uporabno za sondiranje občutljivih vzorcev, kot so biološki sistemi, ki jih ni mogoče preučevati s tehnikami visoke ločljivosti, kot sta elektronska mikroskopija in mikroskopija na atomsko silo.
Raziskava je opisana v Časopis za optične mikrosisteme.
