Under de senaste två decennierna har forskare har upptäckt att det optiska mikroskopet kan användas för att upptäcka, spår- och bildobjekt mycket mindre än deras traditionella gräns - ungefär halva våglängden för synligt ljus, eller några hundra nanometer.

Den banbrytande forskningen, som vann Nobelpriset i kemi 2014, har gjort det möjligt för forskare att spåra proteiner i befruktade ägg, visualisera hur molekyler bildar elektriska förbindelser mellan nervceller i hjärnan, och studera miniatyrmotors rörelse i nanoskala.

Nu, forskningsutvecklingen vid National Institute of Standards and Technology (NIST) gör det möjligt för mikroskopen att mäta dessa nanometer-detaljer med en ny noggrannhet.

"Vi lägger det optiska mikroskopet under ett mikroskop för att uppnå noggrannhet nära atomskalan, "sade NIST:s Samuel Stavis, som fungerade som projektledare för dessa insatser.

Eftersom optiska mikroskop inte traditionellt har använts för att studera nanometerskalan, de saknar vanligtvis kalibreringen - jämförelse med en standard för att kontrollera att ett resultat är korrekt - nödvändigt för att få information som är korrekt i den skalan. Ett mikroskop kan vara exakt, indikerar konsekvent samma position för en enda molekyl eller nanopartikel. Än, på samma gång, det kan vara mycket felaktigt - platsen för objektet som identifierats av mikroskopet inom en miljarddels meter kan, faktiskt, vara miljontedelar av en meter av på grund av felaktiga fel. "Precision utan noggrannhet kan vara mycket vilseledande, "sa Jon Geist, en NIST-medförfattare till studien.

För att åtgärda problemet, NIST har utvecklat en ny kalibreringsprocess som noggrant undersöker och korrigerar dessa bildfel. I processen används referensmaterial-objekt med välkända och stabila egenskaper-som har potential för massproduktion och utbredd distribution till enskilda laboratorier.

Detta är viktigt eftersom optiska mikroskop är vanliga laboratorieinstrument som enkelt kan förstora olika prover, allt från känsliga biologiska exemplar till elektriska och mekaniska anordningar. Också, optiska mikroskop blir allt mer kapabla och ekonomiska eftersom de innehåller vetenskapliga versioner av lampor och kameror i smartphones.

NIST-teamet förlitade sig på tillverkningsprocesser i nanometer för att utveckla referensmaterialet. Forskarna använde elektronstrålar och jonfräsning för att bilda en rad pinhålsöppningar genom en tunn platinfilm på en glasskiva. Processen möjliggjorde för teamet att rymma bländarna 5, 000 nanometer från varandra, till en noggrannhet på cirka 1 nanometer. På det här sättet, forskarna byggde in ett mått på noggrannhet i bländarpositionerna.

Att skina ljus genom mängden bländare skapar en rad punkter för avbildning. Men eftersom alla mikroskoplinser har brister, fel uppstår oundvikligen under avbildning som ändrar punkternas skenbara positioner, vilket gör att avståndet mellan öppningarna verkar vara större eller mindre än det faktiska avståndet konstruerat av teamet. Kunskap om det sanna avståndet möjliggör korrigering av bildfel och kalibrering av mikroskopet för mätningar av position med hög noggrannhet över ett brett synfält.

Även ett litet fel kan leda till ett stort problem. Överväga, till exempel, ett mikroskop med en verklig förstoring av 103 gånger när den förväntade förstoringen, enligt tillverkarens specifikation, är 100 gånger. Det resulterande felet på 3 procent lägger till över stora avstånd över en mikroskopbild. På grund av objektivfel, ett subtilare problem uppstår också - förstoringen av mikroskopet ändras över hela bilden, orsakar bildförvrängning. För att lösa det här problemet, NIST -teamet utformade bländaruppsättningar och kalibreringsprocesser som fungerade över stora synfält.

Bländaruppsättningarna, vilket skulle göra det möjligt för enskilda forskare att utföra kalibreringar i sina egna laboratorier, kan förbättras med en faktor 10, 000 förmågan hos optiska mikroskop att exakt lokalisera positionen för enskilda molekyler och nanopartiklar.

Stavis och hans kollegor, inklusive författaren Craig Copeland från NIST och Maryland NanoCenter vid University of Maryland, rapporterade sina fynd i en nyligen publicerad artikel i Ljus:Vetenskap och applikationer .

"Vi har identifierat och löst ett underskattat problem, sa Copeland.

Efter att ha kalibrerat sitt optiska mikroskop med hjälp av matriserna, laget vände processen, med hjälp av deras mikroskop för att identifiera brister i prototypmatriserna från nanofabrication -processen. "Vi testade gränserna för nanofabrikation för att kontrollera bländaravståndet, "noterade medförfattaren Rob Ilic, chef för NIST:s NanoFab. Enkel och snabb optisk mikroskopi kan underlätta kvalitetskontroll av bländaruppsättningar i en produktionsprocess.

Till sist, teamet utnyttjade den inneboende stabiliteten hos bländaruppsättningarna för att utvärdera om fluorescerande nanopartiklar, används ofta som fasta referenspunkter i optisk mikroskopi, förblev faktiskt fixerad till en viss punkt eller om de flyttade runt. Forskarna fann att medan oavsiktliga rörelser av deras optiska mikroskop gjorde synpunkter på nanopartiklarna suddiga, med hjälp av bländaruppsättningen visade att nanopartiklarna faktiskt inte rörde sig i atomvåg.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.