Genom att kombinera experiment med beräkningar och simuleringar har forskare i Tyskland fått nya insikter om varför genomskinliga mikrosfärer på ett prov förbättrar upplösningen hos en interferometri-baserad mikroskopiteknik. Genom att undersöka hur ljus interagerar med mikrosfärerna, Lucie Hüser och kollegor på Universitetet i Kassel har öppnat dörren för att förstå den mystiska förbättringen.
Ett Linnik interferometermikroskop är utformat för att ta högupplösta bilder av yttopografin på ett prov. Enheten fungerar genom att dela en stråle av upplysande ljus i två delar, där en stråle skickas till provet och den andra till en spegel. De reflekterade strålarna återkombineras vid en detektor, vilket skapar en bild av det störande ljuset. Genom att skanna höjden på provet erhålls en korrekt representation av 3D-topografin för provet.
Men som alla mikroskopitekniker står denna metod inför en grundläggande gräns i storleken på funktioner den kan lösa. Detta är ett resultat av diffraktionsgränsen, vilket innebär att tekniken inte kan lösa särdrag som är mindre än halva våglängden av bildljuset.
Mystisk effekt
Emellertid har mikroskopister vetat under en tid att diffraktionsgränsen kan övervinnas genom att helt enkelt placera mikronstora transparenta sfärer på ytan av ett prov. Detta har visat sig vara en mycket användbar teknik, men trots dess effektivitet förstår forskarna inte helt fysiken bakom förbättringen. Förklaringarna inkluderar skapandet av högfokuserade fotoniska nanostrålar när ljus passerar mellan mikrosfärerna och provet; en ökning av mikroskopets numeriska öppning som orsakas av mikrosfärerna; närfältseffekter (försvinnande); och exciteringen av viskande gallerilägen av ljus i mikrosfärerna.
Superupplösningsmikroskopi avslöjar koronavirus-replikerande maskiner
För att få en bättre förståelse för varför mikrosfärförbättring fungerar för interferensmikroskopi, kombinerade Hüsers team rigorösa experimentella mätningar med nya datorsimuleringar. Dessa inkluderade strålspårningsberäkningar som använder enkel matematik för att spåra förändringar i vägarna för ljusstrålar som färdas genom sfärerna.
Studien tyder på att de försvinnande och viskande gallerieffekterna är försumbara när det kommer till upplösningsförbättring. Istället fann de att mikrosfärerna ökar den effektiva storleken på mikroskopets numeriska öppning – vilket förbättrar instrumentets upplösning. Forskningen tyder också på att fotoniska nanostrålar kan vara inblandade i förbättringen av upplösningen.
Detta resultat ger en robust teoretisk grund för mikrosfärförbättrad optisk interferensmikroskopi ett steg närmare. Hüser och kollegor hoppas att deras arbete snart kan leda till bättre metoder för snabb och icke-invasiv avbildning av ytorna på mikroskopiska strukturer. Detta kan vara särskilt användbart för att sondera ömtåliga prover, såsom biologiska system, som inte kan studeras med högupplösta tekniker såsom elektronmikroskopi och atomkraftsmikroskopi.
Forskningen beskrivs i Journal of Optical Microsystems.
