Исследователи нашли способ увидеть синтетические наноструктуры и молекулы с помощью нового типа оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, которая не требует флуоресцентных красителей и представляет собой практический инструмент для исследований в области биомедицины и нанотехнологий.
«Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения открыла новое окно в мир наноскопии», - сказал Цзи-Синь Ченг, доцент кафедры биомедицинской инженерии и химии Университета Пердью.
Обычные оптические микроскопы могут разрешать объекты размером не менее 300 нанометров или миллиардных долей метра, ограничение, известное как «предел дифракции», который определяется как половина ширины длины волны света, используемого для просмотра образец. Однако исследователи хотят изучить молекулы, такие как белки и липиды, а также синтетические наноструктуры, такие как нанотрубки, которые имеют диаметр несколько нанометров.
Такие возможности могут привести к прогрессу в самых разных областях, от медицины до наноэлектроники, сказал Ченг.
«Дифракционный предел представляет собой фундаментальный предел разрешения оптических изображений», - сказал Ченг. «Стефан Хелл из Института Макса Планка и другие разработали методы визуализации со сверхвысоким разрешением, для которых требуются флуоресцентные метки. Здесь мы демонстрируем новую схему преодоления дифракционного предела при оптической визуализации нефлуоресцентных видов. Поскольку она не содержит меток, сигнал исходит непосредственно от объекта, чтобы мы могли больше узнать о наноструктуре».
Выводы подробно изложены в исследовательской статье, опубликованной в Интернете в воскресенье (28 апреля) в журнале Nature Photonics.
Система визуализации, называемая микроскопией насыщенного нестационарного поглощения или STAM, использует три лазерных луча, в том числе лазерный луч в форме пончика, который избирательно освещает одни молекулы, но не освещает другие. Электроны в атомах освещенных молекул временно переходят на более высокий энергетический уровень и называются возбужденными, в то время как другие остаются в своем «основном состоянии». Изображения генерируются с помощью лазера, называемого зондом, для сравнения контраста между возбужденными молекулами и молекулами в основном состоянии.
Исследователи продемонстрировали технику, сфотографировав графитовые «нанопластинки» шириной около 100 нанометров.
«Это доказательство концепции и большой потенциал для изучения наноматериалов, как природных, так и синтетических», - сказал Ченг.
Техника лазерного возбуждения в форме пончика, изобретенная исследователем Стефаном Хеллом, позволяет фокусироваться на еще более мелких объектах. Исследователи надеются улучшить систему визуализации, чтобы видеть объекты диаметром около 10 нанометров, что примерно в 30 раз меньше, чем это возможно с помощью обычных оптических микроскопов.
«Мы еще не достигли этого, но можно применить несколько схем для дальнейшего увеличения разрешения нашей системы», - сказал Ченг.
Документ был написан в соавторстве с докторантом биомедицинской инженерии Пу Ван; научный сотрудник Михаил Николаевич Слипченко; докторант машиностроения Джеймс Митчелл; Чен Ян, доцент кафедры физической химии Университета Пердью; Эрик О. Потма, адъюнкт-профессор химии Калифорнийского университета в Ирвине; Сяньфань Сюй, профессор машиностроения Джеймса Дж. и Кэрол Л. Шаттлворт из Purdue; и Ченг.
Будущие исследования могут включать работу по использованию лазеров с более короткими длинами волн света. Поскольку длина волны короче, отверстие бублика меньше, что, возможно, позволяет исследователям сосредоточиться на более мелких объектах.
Работа будет обсуждаться на третьем ежегодном семинаре «Спектроскопическая визуализация: новое окно в невидимый мир», который пройдет 23 и 24 мая в Purdue. Семинар проводится Университетской школой биомедицинской инженерии Уэлдона.
Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения, Национальным научным фондом и Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов.