Американские физики разработали метод построения тепловых карт образцов, которые исследуются с помощью оптического микроскопа с микрометровым разрешением. Для этого не нужно никак менять оптическую схему прибора, необходимо лишь нанести на поверхность предметного стекла трехслойную пленку нанометровой толщины. В результате при колебаниях температуры будет меняться доля отраженного света, пишут ученые в Nature Communications.
Современные методы оптической микроскопии позволяют получать изображения с очень высоким пространственным разрешением, которое в некоторых модификациях может даже преодолевать дифракционный предел. Однако практически всегда функции оптического микроскопа (в отличие от электронного или атомно-силового) ограничиваются исключительно получением изображения и никакой дополнительной информации о физических свойствах свойствах образцов определить с помощью него не удается. В том числе практически нет надежных методов для точного измерения температуры и построения тепловых карт исследуемых биологических или химических объектов, что нередко бывает одним из ключевых параметров, влияющих на их поведение и свойства.
Как правило, для таких измерений предлагают использовать системы термопар, пространственное разрешение которых не превышает нескольких миллиметров, что очень мало для микроскопии. Более точными методами могли бы стать спектроскопические подходы, основанные на использовании излучения в терагерцовом или инфракрасном диапазоне, однако их возможности сильно ограничены из-за того, что нужный сигнал искажается на элементах оптической системы микроскопа и поверхностях предметного и покровного стекол и взаимодействует с излучением в видимой части спектра.
Американские ученые под руководством Ляна Фэна (Liang Feng) из Пенсильванского университета предложили для измерения температуры модифицировать предметное стекло. Для это ученые использовали специальную прозрачную трехслойную пленку, основу которой составлял слой полиметилметакрилата, зажатый между двумя прозрачными слоями золота нанометровой толщины. При облучении этой пленки светом определенной длины волны в спектре собственных значений комплексной части диэлектрической проницаемости возникает набор точек сингулярности — неэрмитовых «особых точек» (exceptional points), — положение и свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. В эксперименте эти изменения можно измерить по доле отраженного света, которая понижается при отклонении от начального резонансного состояния.
В экспериментальной схеме, предложенной авторами работы, в качестве источника излучения использовался стандартный гелий-неоновый лазер с длиной волны 633 нанометра. При этом физики отмечают, что возникновение особых точек в спектре — резонансное явление, и поиск нужного состояния осуществляется для каждой длины волны с помощью подбора толщины двух слоев золота в покрытии (в данном случае она составила 20 нанометров).
Проверку методики ученые провели с помощью массива из девяти нагревательных элементов, которые были расположены по узлам квадратной решетки и работали за счет поглощения электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. При поглощении излучения в такой системе происходит нагрев полимерной пленки на предметном стекле, что сразу же можно зафиксировать по изменению спектров отраженного света. А варьируя мощность нагревающего лазера, можно было менять температуру от комнатной до 43 градусов. По данным измерений удалось вычислить чувствительность метода, которая составила около 0,017 обратного градуса Цельсия — это примерно в 10 раз выше, чем у других известных методов.
Пространственное разрешение предложенного метода достигает нескольких микрометров, что также значительно выше, чем при использовании альтернативных методов. Чтобы показать, что подобные измерения можно проводить в реальном времени, ученые провели дополнительный эксперимент, в котором на поверхность предметного стекла нанесли дополнительный слой из полидиметилсилоксана, с небольшим резервуаром для воды. Помещенную в резервуар воду постепенно нагревали до 43 градусов, а по спектру отражения за изменением температуры удалось проследить непосредственно в процессе нагревания.
Авторы работы отмечают, что основные преимущества предложенного ими метода — это его простота и дешевизна. Для проведения точных измерений температуры нужно только нанести специальную пленку на предметные стекла, а изменять каким-то образом оптическую схему самого микроскопа не требуется. При этом подобная модификация приведет к увеличению цены одно предметного стекла всего на несколько центов. По словам ученых аналогичный подход может быть использован не только для измерения температуры, но и, например, для определения механических свойств образцов.
Построение температурных карт с помощью электромагнитного излучения предлагают использовать не только в оптической микроскопии, но и в более сложных электронных микроскопах. Например, американские физики предложили использовать для измерения температуры в наноматериалах спектры энергетических потерь электронов, эта методика дает возможность определять температуру до 1300 градусов без необходимости калибровки. Похожий подход другая группа ученых использовала для определения температуры и коэффициента теплопроводности двумерных кристаллов с пространственным разрешением до 2 нанометров.
Александр Дубов