Bagaimana untuk melihat objek nano dalam mikroskop optik

Bagaimana untuk melihat objek nano dalam mikroskop optik

A. Yezhov
"Kvant" №2, 2010

Seperti yang anda tahu, bahagian utama maklumat mengenai dunia di sekeliling seseorang menerima melalui penglihatan. Mata manusia adalah peranti yang canggih dan sempurna. Peranti ini dicipta oleh alam semula jadi berfungsi dengan sinaran elektromagnetik cahaya, julat panjang gelombang antara 400 dan 760 nanometer. Warna yang dilihat seseorang berbeza dari ungu kepada merah.

Gelombang elektromagnet yang bersamaan dengan cahaya yang kelihatan berinteraksi dengan cangkang elektron atom dan molekul mata. Hasil daripada interaksi ini bergantung pada keadaan elektron dari cangkang ini. Cahaya boleh diserap, dicerminkan atau bertaburan. Apa yang sebenarnya berlaku kepada cahaya dapat banyak memberi tahu tentang atom dan molekul yang berinteraksi. Julat saiz atom dan molekul dari 0.1 hingga puluhan nanometer. Ini adalah kali lebih kecil daripada cahaya panjang. Walau bagaimanapun, adalah sangat penting untuk melihat objek dengan tepat saiz ini – mari kita panggil mereka nanoobjects. Apa yang anda perlu lakukan untuk ini? Kita akan membincangkan terlebih dahulu apa yang dapat dilihat oleh mata manusia.

Biasanya, apabila mereka bercakap tentang penyelesaian peranti optik, mereka menggunakan dua konsep. Salah satunya ialah resolusi sudut, dan yang kedua ialah resolusi linear. Konsep-konsep ini saling berkaitan.Sebagai contoh, untuk mata manusia, resolusi sudut adalah kira-kira 1 minit arc. Dalam kes ini, mata dapat membezakan antara dua objek objek yang 25-30 cm jauhnya, hanya apabila jarak antara objek ini lebih besar daripada 0.075 mm. Ini adalah setanding dengan resolusi pengimbas komputer konvensional. Malah, resolusi 600 dpi bermakna pengimbas dapat membezakan mata yang terletak pada jarak 0.042 mm antara satu sama lain.

Untuk dapat membezakan objek yang terletak pada jarak yang jauh lebih kecil dari satu sama lain, mikroskop optik telah dicipta – sebuah instrumen yang meningkatkan daya menyelesaikan mata. Peranti ini kelihatan berbeza (seperti yang dapat dilihat dari Rajah 1), tetapi mereka mempunyai prinsip operasi yang sama. Mikroskop optik membolehkan kami menolak had resolusi kepada pecahan mikron. Sudah 100 tahun yang lalu, mikroskop optik memungkinkan untuk mengkaji objek bersaiz mikron. Walau bagaimanapun, pada masa yang sama ia menjadi jelas bahawa dengan hanya meningkatkan bilangan kanta dan meningkatkan kualiti mereka, adalah mustahil untuk mencapai peningkatan selanjutnya dalam resolusi. Resolusi mikroskop optik ternyata dihadkan oleh sifat-sifat cahaya itu sendiri, iaitu sifat gelombangnya.

Rajah. 1. Mikroskop optik. Di sebelah kiri – syarikat mikroskop Carl zeiss 1906, di sebelah kanan – mikroskop penyelidikan moden syarikat yang sama dengan dua kamera video berdasarkan array CCD di atas. Imej: "Quant"

Pada akhir abad yang lalu ia telah ditubuhkan bahawa resolusi mikroskop optik adalah . Dalam formula ini, λ ialah panjang gelombang cahaya, dan ndosa u – apertur berangka objektif mikroskop, yang menyerupai kedua-dua mikroskop dan bahan yang ada di antara objek kajian dan kanta mikroskop yang paling dekat dengannya. Dan memang, ungkapan untuk aperture berangka termasuk indeks biasan n medium antara objek dan kanta, dan sudut u antara paksi optik kanta dan sinaran yang paling melampau yang keluar dari objek dan boleh masuk ke dalam kanta ini. Indeks bias pada vakum adalah satu. Di udara, penunjuk ini sangat dekat dengan perpaduan, di dalam air ia adalah 1.33303, dan dalam cecair khas yang digunakan dalam mikroskopi untuk mendapatkan resolusi maksimum, n datang ke 1.78. Apa sahaja sudut unilai dosa u tidak boleh lebih daripada satu. Oleh itu, resolusi mikroskop optik tidak melebihi pecahan cahaya panjang gelombang.

Ia biasanya dianggap bahawa resolusi itu adalah separuh panjang gelombang.

Rajah. 2 Imej sumber titik yang sama, diperolehi dengan bantuan kanta dengan apertur berangka yang berlainan – untuk imej kiri itu dua kali lebih besar daripada yang tepat. Keamatan maksimum pusat adalah kira-kira 85% daripada jumlah intensiti semua bahagian imej. Imej: "Quant"

Keamatan, resolusi dan pembesaran objek adalah perkara yang berbeza. Anda boleh membuat supaya jarak antara pusat imej objek yang terletak 10 nm antara satu sama lain, akan menjadi 1 mm. Ini akan sesuai dengan kenaikan sebanyak 100,000 kali. Walau bagaimanapun, untuk membuktikan sama ada seseorang itu objek atau dua tidak akan berfungsi. Hakikatnya ialah imej objek yang dimensinya sangat kecil berbanding dengan panjang cahaya cahaya akan mempunyai bentuk dan saiz yang sama, bebas dari bentuk objek itu sendiri. Objek tersebut dipanggil objek seperti titik – saiz mereka boleh diabaikan. Sekiranya benda titik itu bersinar, mikroskop optikal akan menggambarkannya dalam bentuk bulatan cerah yang dikelilingi oleh cincin cahaya dan gelap. Kami akan lebih lanjut, untuk kesederhanaan, pertimbangkan sumber cahaya.Imej tipikal dari sumber cahaya titik yang diperoleh dengan mikroskop optik ditunjukkan pada Gambar 2. Keamatan cincin cahaya jauh lebih rendah daripada bulatan, dan berkurang dengan jarak dari pusat imej. Selalunya anda hanya dapat melihat cincin cerah pertama. Diameter cincin gelap pertama ialah . Fungsi yang menerangkan pengedaran intensiti ini dipanggil fungsi penyebaran titik. Ciri ini bebas daripada pembesarannya. Imej beberapa objek titik hanya akan menjadi lingkaran dan cincin, seperti yang dapat dilihat dari Rajah 3. Imej yang dihasilkan boleh dibesarkan, tetapi jika imej dua objek bersebelahan objek bergabung, mereka akan bergabung lagi. Peningkatan seperti ini sering dipanggil tidak berguna – imej besar hanya akan lebih kabur. Contoh peningkatan yang tidak berguna ditunjukkan dalam Rajah 4. Formula sering dipanggil had difraksi, dan ia begitu terkenal bahawa ia telah diukir pada monumen kepada pengarang formula ini, fizik optik Jerman Ernst Abbe.

Rajah. 3 Imej kumpulan sumber titik. Sumber 1 dan 2 terletak jauh lebih jauh d = λ/(n dosau), sumber 3 dan 4 – pada jarak jauh d/ 2, dan sumber 5 dan 6 – jauh lebih rendah d/ 2. Imej: "Quant"

Sudah tentu, dari masa ke masa, mikroskop optik mula menyediakan pelbagai peranti yang membolehkan anda menyimpan imej. Pertama, kamera filem dan kamera filem dilengkapi dengan mata manusia, dan kemudian kamera, yang didasarkan pada peranti digital yang mengubah cahaya jatuh ke dalamnya menjadi isyarat elektrik. Yang paling umum dari peranti ini ialah CCD (CCD bermaksud peranti yang dikenakan bayaran). Bilangan piksel dalam kamera digital terus berkembang, tetapi dengan sendirinya ini tidak dapat memperbaiki resolusi mikroskop optik.

Rajah. 4 Imej dua sumber titik yang diambil oleh kanta dengan aperture berangka yang sama, tetapi dengan pembesaran yang berlainan. Jarak antara sumber titik ialah λ / (2n dosau). Imej: "Quant"

Dua puluh lima tahun yang lalu, seolah-olah had difraksi itu tidak dapat diatasi dan bahawa untuk mempelajari objek yang dimensinya berkali-kali lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, ia perlu membuang cahaya itu sendiri. Inilah cara pencipta mikroskop elektronik dan X-ray pergi.Walaupun banyak kelebihan mikroskop sedemikian, tugas menggunakan cahaya untuk memeriksa objek nano kekal. Terdapat banyak sebab untuk ini: kemudahan dan kesederhanaan bekerja dengan objek, masa yang singkat diperlukan untuk mendapatkan imej, kaedah pewarnaan sampel yang diketahui, dan banyak lagi. Akhirnya, selepas bertahun-tahun kerja keras, ia menjadi mungkin untuk memeriksa objek nano menggunakan mikroskop optik. Kemajuan besar dalam arah ini telah dibuat dalam bidang mikroskopi pendarfluor. Sudah tentu, tiada sesiapa yang membatalkan had difraksi, tetapi mungkin untuk memintasnya. Pada masa ini, terdapat pelbagai mikroskop optik yang membolehkan kita untuk mempertimbangkan objek yang dimensinya lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya yang sangat menimbulkan imej objek ini. Semua peranti ini disatukan oleh satu prinsip umum. Mari kita cuba untuk menjelaskan yang mana.

Daripada apa yang telah dikatakan mengenai had pembingkaian penyelesaian, jelas bahawa tidak sukar untuk melihat sumber titik. Jika sumber ini mempunyai keamatan yang mencukupi, imejnya akan kelihatan jelas.Bentuk dan saiz imej ini, seperti yang telah disebutkan, akan ditentukan oleh sifat-sifat sistem optik. Dalam kes ini, mengetahui sifat-sifat sistem optik dan yakin bahawa objek adalah titik, anda boleh menentukan dengan tepat di mana objek berada. Ketepatan menentukan koordinat objek sedemikian agak tinggi. Satu ilustrasi ini boleh ditunjukkan dalam Rajah 5. Koordinat objek titik dapat ditentukan dengan lebih tepat, semakin intensifnya bersinar. Kembali pada tahun 80an abad yang lalu, mereka dapat menentukan kedudukan molekul bercahaya individu dengan ketepatan 10-20 nanometer menggunakan mikroskop optik. Keadaan yang perlu bagi penentuan koordinat titik sumber yang tepat adalah kesepiannya. Sumber titik lain yang terdekat dengannya mesti terletak sejauh ini bahawa penyelidik mengetahui bahawa imej yang diproses sesuai dengan satu sumber. Adalah jelas bahawa jarak ini l mesti memenuhi syarat . Dalam kes ini, analisis imej boleh memberikan data yang sangat tepat mengenai kedudukan sumber itu sendiri.

Rajah. 5 Penentuan jujukan kedudukan sumber titik dengan ketepatan lebih tinggi daripada λ / (2n dosau).Salib merah menandakan kedudukan semasa sumber itu, dan warna biru menandakan trajektori sumbernya, dibina dalam tiga jawatannya. Saiz bulatan biru sepadan dengan ketepatan menentukan kedudukan sumber. Imej: "Quant"

Kebanyakan objek yang jauh lebih kecil daripada resolusi mikroskop optik boleh dianggap sebagai koleksi sumber titik. Sumber cahaya dalam satu set itu terpisah dari satu sama lain pada jarak jauh lebih kecil daripada . Jika sumber-sumber ini bersinar pada masa yang sama, ia tidak mungkin untuk mengatakan sesuatu mengenai lokasi di mana mereka berada. Walau bagaimanapun, jika kita berjaya membuat sumber-sumber ini bersinar, maka kedudukan masing-masing dapat ditentukan dengan ketepatan yang tinggi. Sekiranya ketepatan ini melebihi jarak di antara sumber, maka, dengan mengetahui kedudukan masing-masing, anda dapat mengetahui kedudukan kedudukan mereka. Ini bermakna maklumat telah diperolehi dari segi bentuk dan saiz objek, yang diwakili sebagai satu set sumber titik. Dalam erti kata lain, dalam kes sedemikian, objek boleh dilihat dengan mikroskop optik yang dimensinya lebih kecil daripada had difraksi!

Oleh itu, perkara utama adalah untuk mendapatkan maklumat mengenai bahagian-bahagian yang berbeza dari nano-object secara berasingan antara satu sama lain. Terdapat tiga kumpulan utama kaedah untuk melakukan ini.

Kumpulan pertama kaedah sengaja menyebabkan salah satu atau sebahagian objek untuk bersinar. Yang paling terkenal dengan kaedah ini adalah pengimbasan mikroskop optikal dekat lapangan. Pertimbangkannya dengan lebih terperinci.

Jika anda meneliti dengan teliti keadaan yang tersirat apabila ia datang kepada had difraksi, anda akan mendapati bahawa jarak dari objek ke kanta jauh lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya. Pada jarak yang setanding dengan dan lebih kecil daripada panjang gelombang ini, gambar itu berbeza. Berhampiran sebarang objek yang telah jatuh ke dalam medan elektromagnetik gelombang cahaya, terdapat medan elektromagnetik bergantian, frekuensi yang sama dengan kekerapan perubahan medan dalam gelombang cahaya. Tidak seperti gelombang cahaya, medan ini cepat mereput kerana ia bergerak jauh dari nanoobject. Jarak di mana intensiti berkurang, sebagai contoh, dalam e kali, setanding dengan saiz objek. Oleh itu, medan elektromagnet bagi frekuensi optik tertumpu pada jumlah ruang, saiz yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya.Mana-mana objek nano yang jatuh ke dalam kawasan ini entah bagaimana akan berinteraksi dengan medan pekat. Jika objek dengan bantuan yang mana kepekatan lapangan ini dijalankan secara berturutan di sepanjang jalan sepanjang objek nano yang dikaji dan cahaya yang dipancarkan oleh sistem ini direkodkan, maka imej boleh dibina dari titik individu yang terletak di jalan ini. Sudah tentu, pada setiap titik imej akan kelihatan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, tetapi resolusi akan ditentukan dengan seberapa baik bidang itu tertumpu. Dan ini pula ditentukan oleh saiz objek yang mana bidang ini tertumpu.

Cara yang paling biasa untuk melakukan kepekatan ini adalah untuk membuat lubang yang sangat kecil dalam skrin logam. Biasanya, lubang ini terletak di hujung serat logam bersalut serat (serat sering dipanggil serat optik dan digunakan secara meluas untuk penghantaran data ke jarak jauh). Kini adalah mungkin untuk membuat lubang dengan diameter dari 30 hingga 100 nm. Resolusi adalah sama dalam skala.Instrumen yang beroperasi pada prinsip ini dipanggil pengimbasan mikroskop optik berdekatan. Mereka muncul 25 tahun lalu.

Inti kumpulan kedua kaedah adalah seperti berikut. Daripada memaksa nanoobjects tetangga bersinar pada gilirannya, anda boleh menggunakan objek yang bersinar dalam warna yang berbeza. Dalam kes ini, menggunakan penapis cahaya yang memancarkan cahaya warna tertentu, anda boleh menentukan kedudukan setiap objek, dan kemudian membuat satu gambar. Ini sangat serupa dengan apa yang ditunjukkan dalam Rajah 5, hanya warna bagi tiga imej yang berbeza.

Kumpulan terakhir kaedah yang membolehkan seseorang mengatasi had pembelauan dan mempertimbangkan nanoobjects menggunakan sifat objek bercahaya itu sendiri. Terdapat sumber yang boleh "dihidupkan" dan "mati" menggunakan cahaya yang dipilih khas. Pemesejan sedemikian berlaku secara statistik. Dalam erti kata lain, jika terdapat banyak nano-objek switchable, maka, memilih panjang gelombang cahaya dan keamatannya, anda hanya boleh membuat beberapa objek "matikan". Objek yang tinggal akan terus bersinar, dan anda boleh mendapatkan imej dari mereka.Selepas itu, adalah perlu untuk "menghidupkan" semua sumber dan sekali lagi "mematikan" sebahagian daripadanya. Set baki sumber "termasuk" akan berbeza daripada set yang tetap "dihidupkan" buat kali pertama. Dengan mengulangi prosedur ini berkali-kali, anda boleh mendapatkan satu set besar imej yang berbeza antara satu sama lain. Menganalisis satu set itu, adalah mungkin untuk menentukan lokasi sebahagian besar semua sumber dengan ketepatan yang sangat tinggi, jauh di atas batas pembelotan. Satu contoh resolusi super yang diperoleh dengan cara ini ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah. 6 Perbandingan imej yang diperoleh menggunakan mikroskop konvensional (di sebelah kiri) dan salah satu kaedah superresolusi optik (di sebelah kanan). Bahagian gambar yang betul bersesuaian dengan 2.5 mikron. Ini adalah kira-kira 10-12 kali lebih besar daripada nilai λ / (2n dosa u) untuk lensa yang digunakan dan panjang gelombang cahaya. Kawasan yang ditunjukkan dengan superresolusi dalam angka yang betul diserlahkan pada angka kiri oleh segi empat. Imej: "Quant" "border = 0>Rajah. 6 Perbandingan imej yang diperoleh menggunakan mikroskop konvensional (di sebelah kiri) dan salah satu kaedah superresolusi optik (di sebelah kanan). Bahagian gambar yang betul bersesuaian dengan 2.5 mikron.Ini adalah kira-kira 10-12 kali lebih besar daripada nilai λ / (2n dosau) untuk lensa yang digunakan dan panjang gelombang cahaya. Kawasan yang ditunjukkan dengan superresolusi dalam angka yang betul diserlahkan pada angka kiri oleh segi empat. Imej: "Quant"

Pada masa ini, mikroskop optik dengan superresolution berkembang pesat. Adalah selamat untuk mengandaikan bahawa pada tahun-tahun akan datang, kawasan ini akan menarik semakin banyak penyelidik, dan saya ingin mempercayai bahawa akan ada pembaca artikel ini di kalangan mereka.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: