Поєднавши експерименти з розрахунками та моделюванням, дослідники з Німеччини отримали нове розуміння того, чому розміщення прозорих мікросфер на зразку покращує роздільну здатність методу мікроскопії на основі інтерферометрії. Вивчаючи, як світло взаємодіє з мікросферами, Люсі Хюзер та її колеги з Кассельський університет відкрили двері до розуміння таємничого вдосконалення.
Інтерферометричний мікроскоп Лінніка призначений для отримання зображень високої роздільної здатності топографії поверхні зразка. Пристрій працює, розділяючи промінь світла на дві частини, причому один промінь направляється на зразок, а інший – на дзеркало. Відбиті промені рекомбінуються на детекторі, створюючи зображення інтерферуючого світла. Шляхом сканування висоти зразка можна отримати точне представлення 3D-топографії зразка.
Однак, як і всі методи мікроскопії, цей метод стикається з фундаментальним обмеженням у розмірі функцій, які він може розпізнати. Це є результатом дифракційної межі, що означає, що ця техніка не може розпізнати особливості, менші за половину довжини хвилі світла зображення.
Таємничий ефект
Проте мікроскопісти вже деякий час знали, що межу дифракції можна подолати, просто помістивши прозорі сфери мікронного розміру на поверхню зразка. Це виявилося дуже корисним методом, але, незважаючи на його ефективність, дослідники не повністю розуміють фізику, що стоїть за цим покращенням. Пояснення включають створення високосфокусованих фотонних наноструменів, коли світло проходить між мікросферами та зразком; збільшення числової апертури мікроскопа, викликане мікросферами; ефекти ближнього поля (минущі дії); і збудження мод світлової галереї всередині мікросфер.
Мікроскопія з надвисокою роздільною здатністю виявила механізм розмноження коронавірусу
Щоб краще зрозуміти, чому покращення мікросфер працює для інтерференційної мікроскопії, команда Хюзера поєднала ретельні експериментальні вимірювання з новим комп’ютерним моделюванням. Це включало обчислення трасування променів, які використовували просту математику для відстеження змін на шляху світлових променів, що проходять через сфери.
Дослідження показує, що минущі ефекти та ефекти шепітної галереї незначні, коли йдеться про покращення роздільної здатності. Натомість вони виявили, що мікросфери збільшують ефективний розмір числової апертури мікроскопа, що покращує роздільну здатність приладу. Дослідження також припускає, що фотонні наноструменя можуть брати участь у покращенні роздільної здатності.
Цей результат наближає надійну теоретичну основу оптичної інтерференційної мікроскопії з мікросферами. Хюзер та його колеги сподіваються, що їхня робота може незабаром призвести до кращих методів для швидкого та неінвазивного зображення поверхонь мікроскопічних структур. Це може бути особливо корисним для дослідження делікатних зразків, таких як біологічні системи, які неможливо вивчити за допомогою методів високої роздільної здатності, таких як електронна мікроскопія та атомно-силова мікроскопія.
Дослідження описано в Журнал оптичних мікросистем.
