ChipScope – en ny tilgang til optisk mikroskopi

I et halvt årtusinde, mennesker har forsøgt at forbedre menneskets syn med tekniske midler. Mens det menneskelige øje er i stand til at genkende træk over en bred vifte af størrelser, den når sine grænser, når den kigger på objekter over gigantiske afstande eller i mikro- og nanoverdenen. Forskere fra det EU-finansierede projekt ChipScope er nu ved at udvikle en helt ny strategi for optisk mikroskopi.

Det konventionelle lysmikroskop, stadig standardudstyr i laboratorier, ligger til grund for optikkens grundlæggende love. Dermed, opløsning er begrænset af diffraktion til den såkaldte "Abbe-grænse" - strukturelle træk, der er mindre end et minimum på 200 nm, kan ikke løses med denne type mikroskop.

Indtil nu, alle teknologier til at gå ud over Abbe-grænsen er afhængige af komplekse opsætninger, med voluminøse komponenter og avanceret laboratorieinfrastruktur. Selv et konventionelt lysmikroskop, i de fleste konfigurationer, er ikke egnet som mobil gadget til at forske ude i felten eller i fjerntliggende områder. I ChipScope-projektet finansieret af EU, en helt ny strategi for optisk mikroskopi undersøges. I klassisk optisk mikroskopi belyses det analyserede prøveområde samtidigt, opsamling af lyset, der er spredt fra hvert punkt, med en områdeselektiv detektor, f.eks. det menneskelige øje eller sensoren på et kamera.

I ChipScope-ideen, en struktureret lyskilde med lille, individuelt adresserbare elementer anvendes. Som afbildet på figuren, prøven er placeret oven på denne lyskilde, i umiddelbar nærhed. Hver gang enkelte emittere aktiveres, lysudbredelsen afhænger af prøvens rumlige struktur, meget lig det, der er kendt som skyggebilleddannelse i den makroskopiske verden. For at få et billede, den samlede mængde lys, der transmitteres gennem prøveområdet, registreres af en detektor, aktivering af et lyselement ad gangen og derved scanne hen over prøverummet. Hvis de lette elementer har størrelser i nanometerregimet, og prøven er i tæt kontakt med dem, det optiske nærfelt er relevant, og billeddannelse i super opløsning kan blive mulig med en chip-baseret opsætning.

For at realisere denne alternative idé, en masse innovativ teknologi er påkrævet. Den strukturerede lyskilde er realiseret af små lysdioder (LED'er), som er udviklet på University of Technology i Braunschweig, Tyskland. På grund af deres overlegne egenskaber i forhold til andre belysningssystemer, f.eks. den klassiske pære eller halogenbaserede emittere, LED'er har erobret markedet for generelle belysningsapplikationer i de sidste årtier. Imidlertid, til det nuværende punkt, ingen strukturerede LED-arrays med individuelt adresserbare pixels ned til sub-µm-regimet er kommercielt tilgængelige.

Denne opgave hører under TU Braunschweigs ansvar inden for rammerne af ChipScope-projektet. De første LED-arrays med pixelstørrelser ned til 1 µm er allerede blevet demonstreret af forskerne, som afbildet på figuren. De er baseret på galliumnitrid (GaN), et halvledermateriale, som almindeligvis bruges til blå og hvide LED'er. Kontrolleret strukturering af sådanne lysdioder ned til sub-µm-regimet er ekstremt udfordrende. Det udføres ved foto- og elektronstrålelitografi, hvor strukturer i halvlederen er defineret med høj præcision af optiske skyggemasker eller fokuserede elektronstråler.

Som en yderligere komponent, Der kræves højfølsomme lysdetektorer til mikroskopprototypen. Her, Professor A. Dieguez' gruppe ved universitetet i Barcelona udvikler såkaldte enkeltfoton lavinedetektorer (SPAD'er), som kan detektere meget lave lysintensiteter ned til enkelte fotoner. De første test med disse detektorer integreret i en prototype af ChipScope-mikroskopet er allerede blevet udført og har vist lovende resultater.

I øvrigt, en måde at bringe prøver i tæt nærhed af den strukturerede lyskilde er afgørende for korrekt mikroskopdrift. En etableret teknologi til at realisere dette bruger mikrofluidkanaler, hvor et fint system af kanaler er struktureret i en polymermatrix. Brug af højpræcisionspumper, en mikrovolumen væske drives gennem dette system og fører prøven med til målpositionen.