Forskare har utvecklat en ny mätning och avbildningsmetod som kan lösa nanostrukturer mindre än ljusets diffraktionsgräns utan att kräva några färgämnen eller etiketter. Arbetet representerar ett viktigt framsteg mot en ny och kraftfull mikroskopimetod som en dag skulle kunna användas för att se de fina egenskaperna hos komplexa prover utöver vad som är möjligt med konventionella mikroskop och tekniker.

Den nya metoden, som beskrivs i Optica journal, är en modifiering av laserskanningsmikroskopi, som använder en starkt fokuserad laserstråle för att belysa ett prov. Forskarna utökade tekniken genom att inte bara mäta ljusstyrkan eller intensiteten hos ljuset efter att det interagerar med ett prov som studeras, utan också detektera andra parametrar som kodats i ljusfältet.

"Vårt tillvägagångssätt kan hjälpa till att utöka mikroskopiverktygslådan som används för att studera nanostrukturer i en mängd olika prover", säger forskargruppsledaren Peter Banzer från universitetet i Graz i Österrike. "Jämfört med superupplösningstekniker baserade på en liknande skanningsmetod är vår metod helt icke-invasiv, vilket innebär att den inte kräver att några fluorescerande molekyler injiceras i ett prov innan avbildning."

Forskarna visar att de kan mäta positionen och storleken på guldnanopartiklar med en noggrannhet på flera nanometer, även när flera partiklar berördes.

"Vårt nya tillvägagångssätt för laserskanningsmikroskopi kan stänga gapet mellan konventionella mikroskop med begränsad upplösning och superupplösningstekniker som kräver modifiering av provet som studeras", säger Banzer.

Fånga mer från ljuset

I laserskanningsmikroskopi skannas en ljusstråle över provet och det transmitterade, reflekterade eller spridda ljuset som kommer från provet mäts. Även om de flesta mikroskopimetoder mäter intensiteten, eller ljusstyrkan, av ljus som kommer från provet, lagras en hel del information även i andra egenskaper hos ljuset såsom dess fas, polarisation och spridningsvinkel. För att fånga denna ytterligare information undersökte forskarna den rumsliga upplösningen av intensitets- och polarisationsinformationen.

"Ljusets fas och polarisering, tillsammans med dess intensitet, varierar rumsligt på ett sätt som innehåller fina detaljer om provet som det interagerar med - ungefär som skuggan av ett föremål säger oss något om formen på själva föremålet," sa Banzer. "Men mycket av denna information ignoreras dock om bara den totala ljusstyrkan mäts efter interaktionen."

De demonstrerade den nya metoden genom att använda den för att studera enkla prover som innehåller metalliska nanopartiklar av olika storlekar. De gjorde detta genom att skanna området av intresse och sedan spela in polarisering och vinkelupplösta bilder av det transmitterade ljuset. Uppmätta data utvärderades med hjälp av en algoritm som skapar en modell av partiklarna som automatiskt anpassar sig för att likna uppmätta data så exakt som möjligt.

"Även om partiklarna och deras avstånd var mycket mindre än upplösningsgränsen för många mikroskop, kunde vår metod lösa dem", säger Banzer. "Dessutom, och ännu viktigare, kunde algoritmen tillhandahålla andra parametrar om provet som den exakta storleken och positionen för partiklarna."

Forskarna arbetar nu med att anpassa metoden så att den kan användas med mer komplexa prover. Funktionaliteten hos tillvägagångssättet kan också utökas genom att skräddarsy strukturen av ljuset som interagerar med provet och införliva artificiell intelligens-baserade tillvägagångssätt i bildbehandlingsstegen. På detektionssidan håller författarna, tillsammans med andra experter, just nu på att utveckla en speciell kamera som en del av ett europeiskt projekt kallat SuperPixels. Denna nästa generations detektionsenhet kommer att kunna lösa polarisations- och fasinformation utöver intensitet.

"Vår studie är ytterligare en demonstration av den centrala roll som ljusets struktur kan spela inom optik och ljusbaserad teknik", säger Banzer. "Många spännande tillämpningar och fenomen har redan demonstrerats, men det kommer mer." + Utforska vidare

Konstruerade ljusvågor möjliggör snabb inspelning av 3D-mikroskopbilder