Hyperlens krystal i stand til at se levende celler i enestående detaljer

Forestil dig bare:En optisk linse så kraftig, at den lader dig se funktioner på størrelse med en lille virus på overfladen af ​​en levende celle i dens naturlige miljø.

Konstruktion af instrumenter med denne kapacitet er nu mulig på grund af et grundlæggende fremskridt i kvaliteten af ​​et optisk materiale, der bruges til hyperlensering, en metode til at skabe linser, der kan løse objekter meget mindre end lysets bølgelængde. Præstationen blev rapporteret af et team af forskere under ledelse af Joshua Caldwell, lektor i maskinteknik ved Vanderbilt University, i et papir, der blev offentliggjort 11. december i tidsskriftet Naturmaterialer .

Det involverede optiske materiale er sekskantet bornitrid (hBN), en naturlig krystal med hyperlensende egenskaber. Den bedste tidligere rapporterede opløsning ved hjælp af hBN var et objekt, der var omkring 36 gange mindre end den anvendte infrarøde bølgelængde:omtrent på størrelse med de mindste bakterier. Det nye papir beskriver forbedringer i kvaliteten af ​​krystallen, der øger dens potentielle billeddannelse med cirka en faktor ti.

Forskerne opnåede denne forbedring ved at lave hBN -krystaller ved hjælp af isotopisk renset bor. Naturligt bor indeholder to isotoper, der adskiller sig i vægt med cirka 10 procent, en kombination, der væsentligt forringer krystalets optiske egenskaber i det infrarøde.

"Vi har demonstreret, at de iboende effektivitetsbegrænsninger for hyperlinser kan overvindes gennem isotopteknik, "sagde teammedlem Alexander Giles, forskningsfysiker ved U.S. Naval Research Laboratory. "Kontrol og manipulation af lys i nanoskala dimensioner er notorisk svært og ineffektivt. Vores arbejde giver en ny vej frem for den næste generation af materialer og enheder."

Forskere fra University of California, San Diego, Kansas State University, Oak Ridge National Laboratory og Columbia University bidrog også til undersøgelsen.

Forskerne beregner, at en linse fremstillet af deres rensede krystal i princippet kan fange billeder af objekter, der er så små som 30 nanometer i størrelse. For at sætte dette i perspektiv, der er 25 millioner nanometer i en tomme og menneskehår varierer fra 80, 000 til 100, 000 nanometer i diameter. En menneskelig rød blodlegeme er omkring 9, 000 nanometer og vira spænder fra 20 til 400 nanometer.

I årenes løb, forskere har udviklet mange instrumenter, der er i stand til at producere billeder med nanoskalaopløsning, såsom elektronbaserede og atomkraftmikroskoper. Imidlertid, de er uforenelige med levende organismer:enten opererer de under et højt vakuum, udsætte prøver for skadelige strålingsniveauer, kræve dødelige prøveforberedelsesteknikker som frysetørring eller fjerne prøver fra deres naturlige, løsningsbaseret miljø.

Den primære årsag til at udvikle hyperlinser er udsigten til, at de kan levere så meget detaljerede billeder af levende celler i deres naturlige miljøer ved hjælp af lavenergilys, der ikke skader dem. Ud over, ved hjælp af infrarødt lys til at udføre billeddannelsen kan også give spektroskopiske oplysninger om de objekter, det billeder, tilvejebringelse af et middel til at 'fingeraftryk' materialet. Disse muligheder kan have en betydelig indvirkning på biologisk og medicinsk videnskab. Teknologien har også potentielle anvendelser inden for kommunikation og nanoskala optiske komponenter.

Hyperlinsers fysik er ret kompleks. Detaljeniveauet, som optiske mikroskoper kan billede, er begrænset af lysets bølgelængde og brydningsindekset for linsematerialet. Når det kombineres med faktorerne for objektivblænde, afstand fra objektet til linsen og brydningsindekset for objektet under observation, dette oversætter til en typisk optisk grænse på omkring den halve bølgelængde, der bruges til billeddannelse. Ved de infrarøde bølgelængder, der blev brugt i dette eksperiment, denne "diffraktionsgrænse" er omkring 3, 250 nanometer. Denne grænse kan overskrides ved at bruge hBN på grund af dets evne til at understøtte overfladefononpolitoner, hybridpartikler, der består af fotoner af lyskobling med vibrerende, ladede atomer i en krystal, der har bølgelængder meget kortere end det indfaldende lys.

I fortiden, problemet med at bruge polaritoner på denne måde har været den hurtighed, hvormed de forsvinder. Ved at bruge hBN -krystaller fremstillet af 99 procent isotopisk rent bor, forskerne har målt en dramatisk reduktion i optiske tab sammenlignet med naturlige krystaller, forlængelse af polaritons levetid tre gange, hvilket giver dem mulighed for at rejse tredoblet afstanden. Denne forbedring udmønter sig i en markant forbedring i billedopløsningen. Forskernes teoretiske analyse tyder på, at en anden faktor på ti forbedringer er mulig.

"I øjeblikket, vi har testet meget små flager af renset hBN, "sagde Caldwell." Vi tror, ​​at vi vil se endnu flere forbedringer med større krystaller. "

I 1654 brugte Anton van Leeuwenhoek et af de første håndlavede mikroskoper til at opdage den tidligere ukendte mikroskopiske verden. Dette seneste fremskridt inden for hyperlensudvikling er et vigtigt skridt i retning af at tage van Leeuwenhoeks opdagelse til et helt nyt niveau, en, der giver biologer mulighed for direkte at observere cellulære processer i aktion, som vira, der invaderer celler eller immunceller, der angriber fremmede invaders.