Главная » Статьи » Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения позволила разглядеть квантовые точки

Оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения позволила разглядеть квантовые точки

University of Basel, Department of Physics

Ученые разработали метод флуоресцентной оптической микроскопии, который позволяет получать изображения квантовых точек с разрешением в 30 нанометров. Метод основан на использовании когерентного отклика люминесцентных частиц на лазерное возбуждение, пишут ученые в Nature Photonics.

Использование оптических методов для микроскопии ограничено дифракционным пределом, который не позволяет получать изображение объектов размером сильно меньше длины волны света. Однако в некоторых случаях этот предел можно снизить, например используя только ближнепольную область или переключая флуоресцентные молекулы между возбужденным ярким состоянием, в котором молекула излучает свет, и темным основным неизлучающим состоянием.

Один из таких методов — STED-микроскопия, с помощью которой можно получать изображения сверхвысокого разрешения с помощью избирательного тушения люминесценции анализируемых объектов. Увеличить разрешение изображения при таком подходе удается за счет использования дополнительного лазера, который подавляет люминесценцию по краям фокусного пятна. При этом такой метод использует некогерентный отклик на лазерное воздействие, то есть длина волны лазера не соответствует длины волны излучения и для реализации механизма у излучающей частицы должно быть, как минимум, четыре энергетических уровня.

Ученые из Швейцарии и Германии под руководством Тимо Калдевея (Timo Kaldewey) из Базельского университета предложили для увеличения разрешения использовать метод адиабатического переключения люминесцирующих молекул между двумя энергетическими состояниями, при котором длина волны возбуждения соответствует длине волны люминесценции. Для подобных двухуровневых систем характерны осцилляции Раби, при которых излучающая молекула при облучении постоянно колеблется между «включенным» и «выключенным» состояниями. Если же такие частицы облучать импульсами высокой интенсивности пучком с гауссовым распределением в пространстве, то в облучаемой области формируется система колец различной интенсивности. 

Используя этот эффект, ученые предложили использовать два последовательных импульса — включающий и выключающий. Это приводит к увеличению разрешения с 250 нанометров до нескольких десятков нанометров.

Предложенную схему авторы работы проверили на ансамбле квантовых точек из смешанного арсенида галлия и индия, которые практически не отличаются от квантовой двухуровневой системы и излучают свет с длиной волны 950 нанометров. Квантовые точки ученые облучали короткими импульсами длиной 130 фемтосекунд, в результате чего удалось получить изображения с разрешением примерно в 30 нанометров, что примерно в 31 раз меньше используемой длины волны.

Ученые отмечают, что использование когерентного отклика на возбуждающий сигнал позволяет не излучать избыточную энергию в виде тепла. При этом по интенсивности сигнала предложенный метод практически не уступает традиционной конфокальной микроскопии. По словам авторов работы, сейчас таким способом можно получать изображения отдельных квантовых точек при температуре в 4 кельвина, но в будущем ученые планируют поднять ее примерно на 50 градусов.

Схемы для оптической микроскопии сверхвысокого разрешения могут основаны на использовании различных оптических эффектов и взаимодействии исследуемого вещества со светом. Так, в качестве одного из способов обойти дифракционный предел ученые предлагают использовать ближнепольные методы с использованием специальных зондов. Некоторые подобные методы можно использовать даже для получения видео с движением белковых молекул.

Александр Дубов