Ett team av forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat den första platta linsen för immersionsmikroskopi. Detta objektiv, som kan designas för vilken vätska som helst, kan ge ett kostnadseffektivt och lätttillverkat alternativ till det dyra, månghundraårig teknik för handpolering av linser för nedsänkningsobjektiv.

Forskningen beskrivs i Nanobokstäver .

"Denna nya lins har potential att övervinna nackdelarna och utmaningarna med linspoleringstekniker som har använts i århundraden, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS, och senior författare av tidningen.

När ljus träffar ett föremål, det sprider sig. Optiska mikroskop fungerar genom att samla in det spridda ljuset genom en serie linser och rekonstruera det till en bild. Dock, den fina detaljerade geometriska informationen om ett objekt bärs av den del av spritt ljus som utbreder sig med vinklar som är för stora för att kunna samlas in. Att sänka ner föremålet i en vätska minskar vinklarna och gör det möjligt att fånga upp ljus som tidigare var omöjligt, förbättrar mikroskopets upplösningsförmåga.

Baserat på denna princip, immersionsmikroskop använder ett lager av vätska – vanligtvis vatten eller olja – mellan objektglaset och objektivlinsen. Dessa vätskor har högre brytningsindex jämfört med ledigt utrymme så den rumsliga upplösningen ökas med en faktor lika med brytningsindexet för den använda vätskan.

Immersionsmikroskop, som alla mikroskop, består av en serie kaskadlinser. Den första, känd som frontlinsen, är den minsta och viktigaste komponenten. Bara några millimeter stora, dessa halvcirkelformade linser ser ut som perfekt bevarade regndroppar.

På grund av deras särpräglade form, de flesta frontlinser av avancerade mikroskop som tillverkas idag är handpolerade. Denna process, inte överraskande, är dyrt och tidskrävande och producerar linser som bara fungerar inom ett fåtal specifika brytningsindex för nedsänkningsvätskor. Så, om ett prov är under blod och ett annat under vattnet, du skulle behöva tillverka två olika linser för hand.

För att förenkla och påskynda denna process, SEAS-forskare använde nanoteknik för att designa en främre plan lins som enkelt kan skräddarsys och tillverkas för olika vätskor med olika brytningsindex. Linsen består av en rad titandioxid nanofiner och tillverkad med hjälp av en enstegs litografisk process.

"Dessa linser är gjorda med ett enda lager litografi, en teknik som ofta används inom industrin, sa Wei Ting Chen, första författare till uppsatsen och postdoktor vid SEAS. "De kan massproduceras med befintlig gjuteriteknik eller nanoimprinting för kostnadseffektiv high-end immersionsoptik."

Genom att använda denna process, teamet designade metalenses som inte bara kan skräddarsys för vilken som helst nedsänkningsvätska utan också för flera lager av olika brytningsindex. Detta är särskilt viktigt för avbildning av biologiskt material, såsom hud.

"Vår nedsänkningsmeta-lins kan ta hänsyn till brytningsindexen för epidermis och dermis för att fokusera ljus på vävnaden under mänsklig hud utan ytterligare design eller tillverkningskomplexitet, sa Alexander Zhu, medförfattare till uppsatsen och doktorand vid SEAS.

"Vi förutser att nedsänkningsmetallen kommer att hitta många användningsområden, inte bara inom biologisk avbildning utan kommer att möjliggöra helt nya applikationer och så småningom överträffa konventionella linser på befintliga marknader, sa Capasso.