Рассеянный свет помог удвоить разрешение микроскопа

Ученые из Исследовательского института MESA+ , входящего в Университет Твенте (Нидерланды), разработали новый метод улучшения разрешения обычного широкопольного микроскопа. Их работа опубликована в журнале Optica.

Обычный оптический микроскоп позволяет увидеть детали не меньше 200 нанометров (примерно соответствует половине длины волны света в зеленой части видимого спектра) – это ограничение называется дифракционным пределом. Поэтому все, что мельче 200 нанометров, для него недоступно. Однако множество интересных деталей биологической клетки или обычной микросхемы существенно мельче.

Чтобы увидеть их, часто делают несколько изображений одного объекта при разном освещении, после чего все изображения сводят с помощью специализированного софта в одно итоговое, имеющее существенно более высокое разрешение. Обычно для этого подбирают самую просветленную оптику, что на практике не всегда возможно – целому ряду используемых в оптике материалов неизбежно присуще внутреннее случайное рассеивание световых волн на различных посторонних включениях, известных как «пятнышки» (speckle).

Группа голландских исследователей во главе с Хасаном Илмазом (Hasan Yılmaz) попробовала обратить этот недостаток в преимущество. Используя материалы с заранее заданными показателями рассеивания, они насытили оптический материал самыми маленькими «пятнышками», которые ещё различимы в видимом свете (порядка половины длины его волны).

В созданном группой Илмаза экспериментальном микроскопе изучаемый объект помещается на насыщенное такими «пятнышками» предметное стекло, подсвечиваемое лазером. Фото, сделанное через линзы микроскопа, комбинируются затем специализированным ПО, и разрешение итогового снимка возрастает до 116 нм – примерно вдвое более высокого, чем достижимо для обычного оптического микроскопа.

Повышение разрешения обычного микроскопа – задача, успешно решенная и рядом другим методов, таких как сканирование в ближней зоне, использующий так называемую исчезающую волну. Однако практически все альтернативные методы дают микроскопу сравнительно небольшое поле обзора, по размерам часто сравнимо с самим объектом. В то же время группа Илмаза добилась разрешения в 116 нм при поле зрения микроскопа размерами 10 000 на 10 000 нм, что во много десятков раз больше объекта, который может «увидеть» таким прибором. Это означает, что трудоемкость поиска отдельных нанообъектов или клеток при работе с таким прибором будет значительно ниже, чем со сканированием в ближней зоне.

Как отмечают разработчики, сбор света рассеянного лазерного пучка происходит только с поверхности предметного стекла, и получаемые таким образом изображения весьма устойчивы к шумам.