Отныне появился способ обойти проблему стоявшую ранее на пути создания микроскопов с большим увеличением. Оптические микроскопы, использующиеся сейчас, имеют существенный недостаток, не позволяющий наращивать увеличение наблюдаемого объекта бесконечно. Все дело в том, что объекты размером меньшим, чем длина волны света, которым их облучают, не поддаются наблюдению. Оптические дифракционные ограничения говорят о том, что самый маленький объект, который можно увидеть, равен примерно половине длины волны облучающего излучения. Это означает, что минимальное разрешение, достигаемое реально для еще видимого света, составляет около 200 нанометров, что достаточно неплохо, но все же не позволяет увидеть интересующие ученых молекулы и внутриклеточные процессы. Для понимания проблемы, стоящей перед учеными, вспомните, что большие волны на реке проходят сквозь прутья и мелкие препятствия практически без искажений и только большие валуны отражают волны обратно. Отраженная волна и делает объект видимым для нас. Облучение наблюдаемых объектов и наблюдение отраженного от них света сродни этому явлению, знакомому каждому, кто бывал на реке и смотрел на воду.
Одним из путей увеличения разрешающей способности является уменьшение длины волны излучения, которым облучается объект. По такому пути пошли создатели рентгеновских микроскопов. Предельное разрешение, которое достигнуто на рентгеновском микроскопе 5 нм, что существенно выше оптического аналога. Но есть и проблемы. Рентгеновское излучение очень трудно фокусировать, поскольку большинство прозрачных для рентгеновского излучения материалов не преломляют его. Для достижения максимального разрешения требуется длительное время экспозиции и материал должен быть устойчив к рентгеновскому излучению, что не всегда возможно в случае мелких биологических объектов. Рентгеновские микроскопы имеют также и свой предел разрешающей способности, связанный с длиной волны рентгеновского излучения.
Есть также методы кардинально увеличивающие разрешающую способность. Это такие методы как просвечивающая электронная микроскопия и атомная силовая микроскопия. Просвечивающий электронный микроскоп посылает пучок электронов через объект, взаимодействуя с ним уже тем, что электроны проходят сквозь него. Устройство формирует изображение уже этого взаимодействия и увеличивает его. Сканирующий электронный микроскоп сканирует объект высокоэнергетичеким пучком электронов, который также взаимодействует с образцом. Взаимодействие может давать информацию о топографии объекта и его положении. Атомно-силовые микроскопы также в основном используют механический щуп для исследования поверхности. Но данные техники очень ограничены в применении, особенно в приложениях, связанных с биофизикой. Электронный микроскоп способен видеть только поверхность объекта или клетки, так как щуп электронного микроскопа не способен заглянуть под клеточную мембрану или внутрь вируса.
Внутрь клетки можно заглянуть при помощи флуоресцентного (люминесцентного) микроскопа, подсвечивая ее и получая видимый свет в виде ответного свечения, но опять же разглядеть внутреннее строение вируса не удастся. Кроме того, было бы неплохо видеть клетки без необходимости дополнительной подсветки, так как подсветка и люминесценция вещества в клетке могут повлиять на ход химических реакций, в том числе и наблюдаемых, нарушив тем самым всю картину процесса.
И наконец, решение всех этих проблем, похоже, найдено. Устройство было названо "микросферическим наноскопом" (microsphere nanoscope). Для формирования изображения он использует микросферы из прозрачного кварцевого стекла, которое затем увеличиваются традиционным оптическим микроскопом. Новый микроскоп сочетает нормальный оптический увеличитель со сферическими микролинзами, преодолевает дифракционный предел и оставляет далеко позади обычные оптические микроскопы. Этот метод теоретически не имеет предела того, насколько маленький объект возможно увидеть. Это будет зависеть от того, как сильно мы сможем усилить картинку, используемую сферами. Новый метод позволяет пока увидеть объекты размером около 50 нанометров. Потенциально мы можем заглянуть внутрь клетки и впервые изучить строение живого вируса. И будет очень хорошо, если станет возможным наблюдать объекты такими, какие они есть сами по себе, без дополнительного вмешательства. Можно будет получать изображения ДНК, вирусов и молекул в реальном времени. В данном методе используются изображения ближнего поля, так называемые эванесцентные (затухающие) волны (evanescent wave), которые наблюдаются вблизи границы наблюдаемого объекта. Они не ограничены дифракционным пределом. Ближнее поле в пределах оптической длины волны имеет достаточно сложное описание и убывает по экспоненте. Расстояния большие, чем блина волны считаются уже дальним полем.
Эту технологию разработали учёные из университета Манчестера (University of Manchester), сингапурского института хранения данных (Data Storage Institute) и национального университета Сингапура (NUS). Сообщение об этом опубликовано в журнале Nature Communications.
Подготовлено по материалам: University of Manchester Nature
_________________
UNIVERSUM INFINITUM EST
