Исследователи разработали новый подход к измерению и визуализации, который позволяет различать наноструктуры размером меньше дифракционного предела света без использования каких-либо красителей или меток. Работа представляет собой важный шаг вперед к новому и мощному методу микроскопии, который однажды можно будет использовать для того, чтобы увидеть мелкие детали сложных образцов, выходящие за рамки того, что возможно с помощью обычных микроскопов и методов.
Новый метод, описанный в Optica, представляет собой модификацию лазерной сканирующей микроскопии, в которой для освещения образца используется сильно сфокусированный лазерный луч. Исследователи расширили методику, измеряя не только яркость или интенсивность света после его взаимодействия с исследуемым образцом, но и обнаруживая другие параметры, закодированные в световом поле.
«Наш подход может помочь расширить инструментарий микроскопии, используемый для изучения наноструктур в различных образцах», - сказал руководитель исследовательской группы Питер Банцер из Университета Граца в Австрии. «По сравнению с методами сверхвысокого разрешения, основанными на аналогичном подходе к сканированию, наш метод является полностью неинвазивным, то есть не требует введения каких-либо флуоресцентных молекул в образец перед визуализацией».
Исследователи показывают, что они могут измерять положение и размеры наночастиц золота с точностью до нескольких нанометров, даже когда несколько частиц соприкасаются.
«Наш новый подход к лазерной сканирующей микроскопии может сократить разрыв между обычными микроскопами с ограниченным разрешением и методами сверхвысокого разрешения, требующими модификации исследуемого образца», - сказал Банзер.
Захват большего количества света
В лазерной сканирующей микроскопии луч света сканируется по образцу и измеряется прошедший, отраженный или рассеянный свет, исходящий от образца. Хотя большинство методов микроскопии измеряют интенсивность или яркость света, исходящего от образца, большое количество информации также хранится в других характеристиках света, таких как его фаза, поляризация и угол рассеяния. Чтобы получить эту дополнительную информацию, исследователи изучили пространственное разрешение информации об интенсивности и поляризации.
Фаза и поляризация света, вместе с его интенсивностью, изменяются в пространстве таким образом, что учитываются мелкие детали образца, с которым он взаимодействует - так же, как тень объекта говорит нам что-то о форме сам объект, - сказал Банзер.«Однако большая часть этой информации игнорируется, если после взаимодействия измеряется только общая мощность света».
Они продемонстрировали новый подход, используя его для изучения простых образцов, содержащих металлические наночастицы разных размеров. Они сделали это, просканировав интересующую область, а затем записав поляризационные и угловые изображения проходящего света. Измеренные данные были оценены с использованием алгоритма, который создает модель частиц, которая автоматически адаптируется, чтобы максимально точно соответствовать измеренным данным.
«Хотя частицы и расстояния до них были намного меньше предела разрешения многих микроскопов, наш метод смог их разрешить», - сказал Банзер. «Кроме того, что еще более важно, алгоритм смог предоставить другие параметры образца, такие как точный размер и положение частиц».
В настоящее время исследователи работают над адаптацией метода, чтобы его можно было использовать с более сложными образцами. Функциональность подхода также можно расширить, адаптировав структуру света, взаимодействующего с образцом, и включив подходы на основе искусственного интеллекта в этапы обработки изображения. Что касается обнаружения, то авторы вместе с другими экспертами в настоящее время разрабатывают специальную камеру в рамках европейского проекта под названием SuperPixels. Это устройство обнаружения следующего поколения будет способно разрешать информацию о поляризации и фазе в дополнение к интенсивности.
«Наше исследование - еще одна демонстрация ключевой роли, которую структура света может играть в области оптики и технологий на основе света», - сказал Банзер. «Уже продемонстрировано много интересных приложений и явлений, но это еще не все».