Optisk metode til alle formål til at observere fysiske, kemiske eller biologiske processer på nanoskala

For at få endnu dybere indsigt i den mindste af verdener, tærsklerne for mikroskopi skal udvides yderligere. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og TU Dresden, i samarbejde med Freie Universität Berlin, er det lykkedes at kombinere to etablerede måleteknikker for første gang:nærfelts optisk mikroskopi og ultrahurtig spektroskopi. Computerstøttet teknologi udviklet specielt til dette formål kombinerer fordelene ved begge metoder og undertrykker uønsket støj. Dette muliggør meget præcis filmning af dynamiske processer på nanometerskalaen. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i forskningstidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Mange vigtige, men komplekse processer inden for natur- og biovidenskab, for eksempel, fotosyntese eller superledning ved høj temperatur, endnu ikke forstået. På den ene side, dette skyldes, at sådanne processer foregår på en skala af en milliontedel af en millimeter (nanometer) og derfor ikke kan observeres ved konventionel optisk mikroskopisk billeddannelse. På den anden side, forskere skal være i stand til præcist at observere meget hurtige ændringer i de enkelte stadier for bedre at forstå den meget komplekse dynamik. Udviklingen af ​​højopløselige tidsmæssige og rumlige teknologier er derfor blevet fremmet i årtier.

Det nye kamera fra Dresden kombinerer fordelene ved to verdener:mikroskopi og ultrahurtig spektroskopi. Det muliggør uændrede optiske målinger af ekstremt små, dynamiske ændringer i biologiske, kemiske eller fysiske processer. Instrumentet er kompakt i størrelse og kan bruges til spektroskopiske undersøgelser i et stort område af det elektromagnetiske spektrum. Tidsintervaller fra nogle få kvadrilliontedele af et sekund (femtosekunder) op til det andet område kan vælges for individuelle billeder. "Dette gør vores nanoskop velegnet til at se ultrahurtige fysiske processer såvel som til biologiske processer, som ofte er meget langsomme, " siger HZDR's Dr. Michael Gensch.

Kombinationen af ​​to metoder garanterer høj rumlig og tidsmæssig opløsning

Nanoskopet er baseret på videreudvikling af nærfeltsmikroskopi, hvor laserlys bestråles på en ultratynd metalspids. Dette skaber stærkt bundtet lys - hundrede gange mindre end lysets bølgelængde, som ellers repræsenterer grænsen for "normal" optik med linser og spejle. "I princippet, vi kan bruge hele bølgelængdespektret af nærfeltsmikroskopi, fra ultraviolet til terahertz-området, " siger Dr. Susanne Kehr fra TU Dresden. "Det fokuserede lys leverer energi til prøven, skabe en speciel interaktion mellem punktet og prøven i det, der er kendt som nærfeltet. Ved at observere den tilbagespredte del af laserlyset, man kan opnå en rumlig opløsning i størrelsesordenen nærfeltsstørrelsen, det er, i nanometerområdet." Denne teknologi, kendt som SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), bruges typisk kun til billeddannelse af statiske tilstande.

Brug af ultrahurtig spektroskopi er det afgørende værktøj, på den anden side, gør det muligt for forskere at studere dynamiske processer på korte tidsskalaer og med ekstrem følsomhed. Den rumlige opløsning har, indtil nu, dog begrænset til mikrometerområdet. Princippet i sådanne pumpe-sonde eksperimenter, der fungerer, for eksempel, med lys, tryk- eller elektriske feltimpulser er som følger:mens en første impuls exciterer prøven under undersøgelse, en anden puls overvåger ændringen i prøven. Hvis tiden mellem dem er varieret, snapshots kan tages på forskellige tidspunkter, og en film kan samles. En smart korrektion af målefejlene fører til den høje følsomhed af den spektroskopiske procedure. Aktivering ved hjælp af en excitationsimpuls betyder en type forstyrrelse for hele prøvesystemet, som skal filtreres fra, så støj eller "baggrunden" elimineres. Dette opnås ved at sondere den uforstyrrede prøve med en anden referenceimpuls direkte før excitationen. Denne særlige teknologi kunne ikke kombineres med nærfelts optisk mikroskopi indtil nu. For første gang, holdene ledet af de to Dresden-fysikere har formået at kombinere alle fordelene ved begge metoder i deres nanoskop.

"Vi har udviklet software med en speciel demodulationsteknologi, hvormed vi – ud over den enestående opløsning af optisk nærfeltsmikroskopi, der er mindst tre størrelsesordener bedre end opløsningen af ​​almindelig ultrahurtig spektroskopi – nu også kan måle dynamisk ændringer i prøven med høj følsomhed, " forklarer Kehr. Den smarte elektroniske metode gør det muligt for nanoskopet udelukkende at registrere de ændringer, der faktisk sker i prøvens egenskaber på grund af excitationen. Selvom andre forskningsgrupper først for nylig har rapporteret om god tidsmæssig opløsning med deres nanoskoper, de kunne ikke, imidlertid, få denne vigtige korrektionstilstand. En yderligere fordel ved Dresden-løsningen er, at den nemt kan integreres i eksisterende nærfeltsmikroskoper.

Universal i enhver henseende

"Med vores nanoskops betydelige bølgelængdedækning, dynamiske processer kan studeres med de bedst egnede bølgelængder til den specifikke proces, der undersøges. Dette er et vigtigt skridt i forståelsen af ​​disse processer. Vores kolleger på Freie Universität Berlin har, for eksempel, den ambitiøse drøm om at spore strukturelle ændringer under fotocyklussen af ​​et individuelt membranprotein ved specifikke bølgelængder i det infrarøde spektrum, " siger Gensch. Sammen med sin TU-kollega, Susanne Kehr, han demonstrerede den nye metode på et kendt prøvesystem, et halvledende lag lavet af silicium og germanium. "Havde vi brugt en ukendt prøve til demonstrationen, vi ville ikke have været i stand til at fortolke funktionaliteten af ​​vores tilgang korrekt, " understreger Kehr.

Dresden nanoskopet er universelt tilpasset til respektive videnskabelige spørgsmål. Sondens pulsbølgelængder kan, i princippet, rækkevidde fra det lave terahertz-område til det ultraviolette område. Prøven kan stimuleres med laser, tryk, elektrisk felt eller magnetfeltimpulser. Princippet blev testet på HZDR på en typisk laboratorielaser samt på frielektronlaseren FELBE. Første test på den nye terahertz-kilde TELBE, som giver ekstremt korte elektriske og magnetiske feltimpulser til excitation, er under forberedelse. "I fremtiden, vi vil ikke kun se, hvor hurtigt en proces sker, men vi kan også bedre lokalisere, hvor det præcist foregår i prøven. Dette er især vigtigt for vores TELBE-anlæg, som vil være i drift næste år, " forklarer Michael Gensch, leder af TELBE-projektet ved HZDR.