Füüsika õpetaja raamatFüüsika õpetaja raamat : Mis on nanoskoopia?

Mis on nanoskoopia?

Oleme harjunud ütlema, et difraktsiooni tõttu ei saa optilise mikroskoobi lahutusvõime olla parem umbes poolest mikromeetrist. Ja nii on see ka kõige kaasaegsema tehnoloogia kontekstis: läätse või läätsede süsteemi abil ei ole võimalik tekitada fokaaltäppi, kus enamus energiat oleks koondunud väiksemasse piirkonda. Meeldetuletus sellest, kuidas määratakse nn Rayleigh’ kriteerium:

Ümmarguse ava difraktsioonipilt. Kettakujulist tsentraalset maksimumi ümbritsevad rõngakujulised kõrvalmaksimumid. Selleks, et neid palju nõrgemaid kõrvalmaksimume esile tuua, on foto ülevalgustatud.
Ülal on kahe punkti kujutised, mis on saadud koondava läätsega. All on kujutiste intensiivsuste jaotused. Juhul (a) on punktidevaheline nurkkaugus punktide lahutamiseks liiga väike; juhul (b) on punktid vaevalt eristatavad; juhul (c) on punktid selgelt eristatavad. Rayleigh’ kriteerium on täidetud juhul (b), kui ühe difraktsioonipildi tsentraalne maksimum langeb kokku teise difraktsioonipildi esimese miinimumiga.

Kokkuvõtlikult: punktvalgusallika kujutis lõpliku apertuuriga (läbimõõduga) optilises süsteemis on kujult samasugune, kui ümmarguse ava difraktsioonipilt. Kahe punktvalgusallika kujutised on veel eristatavad kui kaks sellist kõrvalmaksimumidega kujutist on eristatavad.

Superlahutusvõimega fluorestsentsmikroskoopia  väljatöötamise eest said 2014.a. Nobeli keemia preemia Stefan W. Hell ja W.E. Moerner. Vaadake järgnevaid pilte:

Ülemises paremas nurgas on tavalise konfokaalse mikroskoobiga saadud kujutis, alumises vasemas nurgas superlahutusega kujutis. Skaala on alumises vasemas nurgas. Superlahutuse paremus tavapärase mikroskoopia ees on ilmne. Siit ka nimi nanoskoopia.
Fluorestsentsmikroskoobi pilt hiire ajust lõigatud preparaadis. Iga närvirakk toodab erinevas proportsioonis eri värvi fluorestseeruvaid proteiine ja nii on kogu närvivõrgustik hästi jälgitav.

Kuidas seda tehakse?

Seda on päris raske paari lausega seletada. Proovime siiski:

Umbes niimoodi saavutatakse "fokaaltäpp", mis on palju väiksem kui seda lubaks valguse difraktsioon.
  • Kõigepealt, sellises mikroskoobis ei vaatle me objektilt hajunud valgust vaid objekti poolt kiiratud valgust, fluorestsentsi. Teiseks, sellised mikroskoobid on skaneerivad, st korraga vaadeldakse vaid üht punkti ja pilt kogutakse kokku objekti seadmes skaneerides.
  • Objekti molekule ergastava laseri fokaaltäpi ümber tekitatakse sõõrikukujuline valgusväli, nn tühjendav kiir, mis seal objekti molekulid teistele energiatasemetele viib. Teistelt energiatasemetelt lähtuv fluorestsents annab ka teist värvi fluorestsentsi ning seda on võimalik valgusfiltritega kustutada.
  • Lõpptulemusena saame registreerida fluorestsentsi, mis lähtub väga väikesest objekti piirkonnast. 

Ei saa bioloogid ilma füüsikata ...

Väga ilusad pildid!

Allikad: 
http://dx.doi.org/10.1051/epn/2015502
https://en.wikipedia.org/wiki/STED_microscopy