Team sætter det optiske mikroskop under mikroskopet for at opnå atomnøjagtighed

I løbet af de sidste to årtier, forskere har opdaget, at det optiske mikroskop kan bruges til at opdage, spor og billedobjekter, der er meget mindre end deres traditionelle grænse - omkring halvdelen af ​​bølgelængden af ​​synligt lys, eller et par hundrede nanometer.

Den banebrydende forskning, som vandt Nobelprisen i kemi i 2014, har gjort det muligt for forskere at spore proteiner i befrugtede æg, visualisere, hvordan molekyler danner elektriske forbindelser mellem nerveceller i hjernen, og studere miniaturemotorers bevægelse i nanoskala.

Nu, Forskningsudviklingen ved National Institute of Standards and Technology (NIST) gør det muligt for mikroskoperne at måle disse detaljer i nanometerskala med et nyt niveau af nøjagtighed.

"Vi sætter det optiske mikroskop under et mikroskop for at opnå nøjagtighed nær den atomare skala, " sagde NISTs Samuel Stavis, som fungerede som projektleder for denne indsats.

Fordi optiske mikroskoper ikke traditionelt er blevet brugt til at studere nanometerskalaen, de mangler typisk den kalibrering - sammenligning med en standard for at kontrollere, at et resultat er korrekt - der er nødvendig for at opnå information, der er nøjagtig i den skala. Et mikroskop kan være præcist, konsekvent angiver den samme position for et enkelt molekyle eller nanopartikel. Endnu, på samme tid, det kan være meget unøjagtigt - placeringen af ​​objektet identificeret af mikroskopet inden for en milliardtedel af en meter kan, faktisk, være milliontedele af en meter væk på grund af uforudsete fejl. "Nøjagtighed uden nøjagtighed kan være meget vildledende, sagde Jon Geist, en NIST-medforfatter af undersøgelsen.

For at løse problemet, NIST har udviklet en ny kalibreringsproces, der nøje undersøger og retter disse billedfejl. Processen bruger referencematerialer - genstande med egenskaber, der er velkendte og stabile - som har potentiale til masseproduktion og udbredt distribution til individuelle laboratorier.

Dette er vigtigt, fordi optiske mikroskoper er almindelige laboratorieinstrumenter, der nemt kan forstørre forskellige prøver, lige fra sarte biologiske prøver til elektriske og mekaniske enheder. Såvel, optiske mikroskoper bliver stadig mere dygtige og økonomiske, da de inkorporerer videnskabelige versioner af lysene og kameraerne i smartphones.

NIST-holdet stolede på fremstillingsprocesser i nanometerskala for at udvikle referencematerialet. Forskerne brugte elektronstråler og ionfræsning til at danne en række pinhole-åbninger gennem en tynd film af platin på et objektglas. Processen gjorde det muligt for teamet at placere åbningerne 5, 000 nanometer fra hinanden, med en nøjagtighed på omkring 1 nanometer. På denne måde forskerne indbyggede et mål for nøjagtighed i blændepositionerne.

Skinnende lys gennem viften af ​​blænder skaber en række punkter til billeddannelse. Men fordi alle mikroskoplinser har ufuldkommenheder, fejl opstår uundgåeligt under billeddannelse, der ændrer punkternes tilsyneladende positioner, gør, at afstanden mellem åbningerne ser ud til at være større eller mindre end den faktiske afstand, som teamet har udviklet. Kendskab til den sande afstand tillader korrektion af billedfejl og kalibrering af mikroskopet til målinger af position med høj nøjagtighed over et bredt synsfelt.

Selv en lille fejl kan føre til et stort problem. Overveje, for eksempel, et mikroskop med en faktisk forstørrelse på 103 gange, når den forventede forstørrelse, som specificeret af producenten, er 100 gange. Den resulterende fejl på 3 procent tæller over store afstande på tværs af et mikroskopbillede. På grund af linsefejl, der opstår også et mere subtilt problem - mikroskopets forstørrelse ændres på tværs af billedet, forårsager billedforvrængning. For at løse dette problem, NIST-teamet designede aperture-arrays og kalibreringsprocesser, der fungerede på tværs af store synsfelter.

Blændearrays, som ville gøre det muligt for individuelle forskere at udføre kalibreringer i deres egne laboratorier, kunne forbedres med en faktor 10, 000 optiske mikroskopers evne til nøjagtigt at lokalisere positionen af ​​enkelte molekyler og nanopartikler.

Stavis og hans kolleger, herunder førsteforfatter Craig Copeland fra NIST og Maryland NanoCenter ved University of Maryland, rapporterede deres resultater i en nyligt postet artikel i Lys:Videnskab og applikationer .

"Vi har identificeret og løst et undervurderet problem, " sagde Copeland.

Efter at have kalibreret deres optiske mikroskop ved hjælp af arrays, holdet vendte processen, ved at bruge deres mikroskop til at identificere ufuldkommenheder i prototype-arrays fra nanofabrikationsprocessen. "Vi testede grænserne for nanofabrikation for at kontrollere blændeafstanden, " bemærkede medforfatter Rob Ilic, leder af NISTs NanoFab. Letheden og hastigheden af ​​optisk mikroskopi kunne lette kvalitetskontrol af aperture arrays i en produktionsproces.

Endelig, holdet udnyttede den iboende stabilitet af aperture-arrays til at evaluere, om fluorescerende nanopartikler, ofte brugt som faste referencepunkter i optisk mikroskopi, faktisk forblev fastgjort til et bestemt punkt, eller hvis de flyttede rundt. Forskerne fandt ud af, at mens utilsigtede bevægelser af deres optiske mikroskop gjorde synet af nanopartiklerne sløret, ved hjælp af apertur-arrayet viste, at nanopartiklerne faktisk ikke bevægede sig på atomare skalaer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.