I ett halvt årtusende, människor har försökt förbättra människans syn med tekniska medel. Medan det mänskliga ögat kan känna igen egenskaper över ett brett spektrum av storlek, den når sina gränser när den tittar på föremål över gigantiska avstånd eller i mikro- och nanovärlden. Forskare från det EU-finansierade projektet ChipScope utvecklar nu en helt ny strategi för optisk mikroskopi.

Det konventionella ljusmikroskopet, fortfarande standardutrustning i laboratorier, ligger till grund för optikens grundläggande lagar. Således, upplösningen begränsas av diffraktion till den så kallade "Abbe-gränsen" – strukturella egenskaper som är mindre än ett minimum av 200 nm kan inte lösas med denna typ av mikroskop.

Än så länge, all teknik för att gå bortom Abbe-gränsen är beroende av komplexa inställningar, med skrymmande komponenter och avancerad laboratorieinfrastruktur. Även ett konventionellt ljusmikroskop, i de flesta konfigurationer, är inte lämplig som mobil pryl för att forska ute på fältet eller i avlägsna områden. I ChipScope-projektet finansierat av EU, en helt ny strategi för optisk mikroskopi utforskas. I klassisk optisk mikroskopi belyses det analyserade provområdet samtidigt, samla upp ljuset som sprids från varje punkt med en områdeselektiv detektor, t.ex. det mänskliga ögat eller sensorn på en kamera.

I ChipScope-idén istället, en strukturerad ljuskälla med små, individuellt adresserbara element används. Som avbildas i figuren, provet är placerat ovanpå denna ljuskälla, i nära anslutning. Närhelst enstaka sändare aktiveras, ljusutbredningen beror på provets rumsliga struktur, mycket likt det som kallas skuggavbildning i den makroskopiska världen. För att få en bild, den totala mängden ljus som sänds genom provområdet avkänns av en detektor, aktivera ett ljuselement i taget och därigenom skanna över provutrymmet. Om de lätta elementen har storlekar i nanometerregimen och provet är i nära kontakt med dem, det optiska närfältet är relevant och superupplösningsavbildning kan bli möjlig med en chipbaserad uppsättning.

För att förverkliga denna alternativa idé, ett gäng innovativ teknik krävs. Den strukturerade ljuskällan förverkligas av små ljusemitterande dioder (LED), som utvecklas vid tekniska universitetet i Braunschweig, Tyskland. På grund av deras överlägsna egenskaper i jämförelse med andra belysningssystem, t.ex. den klassiska glödlampan eller halogenbaserade sändare, LED har erövrat marknaden för allmänbelysningstillämpningar under de senaste decennierna. Dock, till den nuvarande punkten, inga strukturerade LED-arrayer med individuellt adresserbara pixlar ner till sub-µm-regimen finns kommersiellt tillgängliga.

Denna uppgift tillhör TU Braunschweigs ansvar inom ramen för ChipScope-projektet. De första LED-arrayerna med pixelstorlekar ner till 1 µm har redan demonstrerats av forskarna, som avbildas i figuren. De är baserade på galliumnitrid (GaN), ett halvledarmaterial som vanligtvis används för blå och vita lysdioder. Kontrollerad strukturering av sådana lysdioder ner till sub-µm-regimen är extremt utmanande. Den utförs med foto- och elektronstrålelitografi, där strukturer i halvledaren definieras med hög precision av optiska skuggmasker eller fokuserade elektronstrålar.

Som ytterligare en komponent, mycket känsliga ljusdetektorer krävs för mikroskopprototypen. Här, Professor A. Dieguez grupp vid universitetet i Barcelona utvecklar så kallade singelfoton lavindetektorer (SPADs) som kan detektera mycket låga ljusintensiteter ner till enstaka fotoner. De första testerna med dessa detektorer integrerade i en prototyp av ChipScope-mikroskopet har redan utförts och har visat lovande resultat.

Dessutom, ett sätt att föra prover i närheten av den strukturerade ljuskällan är avgörande för korrekt mikroskopdrift. En etablerad teknik för att förverkliga detta använder mikrofluidkanaler, där ett fint system av kanaler är strukturerat till en polymermatris. Använda högprecisionspumpar, en mikrovolym vätska drivs genom detta system och transporterar provet till målpositionen.