Научные знания: Трудный путь человечества, преодолевающий предел оптических различий

Предел дифракции

Дифракционные пятна

Дифракция возникает, когда точечный источник света проходит через круглую апертуру, создавая дифракционную картину позади апертуры. Этот узор состоит из серии концентрических ярких и темных колец, известных как диски Эйри. Когда диски Эйри двух точечных источников перекрываются, возникает интерференция, из-за которой невозможно различить два источника. Расстояние между центрами дисков Эйри, равное радиусу диска Эйри, определяет дифракционный предел.

Дифракционный предел накладывает ограничение на разрешение оптических микроскопов, предотвращая разрешаемое различие объектов или деталей, расположенных слишком близко друг к другу. Чем короче длина волны света, тем меньше дифракционный предел и выше разрешение. Более того, оптические системы с большей числовой апертурой (NA) имеют меньший дифракционный предел и, следовательно, более высокое разрешение.

Диски Эйри

Формула для расчета разрешения NA представляет числовую апертуру:

Разрешениеï¼rï¼ = 0,16λ / NA

На протяжении всей истории учёные предпринимали долгий и трудный путь, чтобы превзойти дифракционный предел оптических микроскопов. От ранних оптических микроскопов до современных методов микроскопии сверхвысокого разрешения — исследователи постоянно исследуют и внедряют инновации. Они пробовали различные методы, такие как использование источников света с более короткой длиной волны, улучшение конструкции объективов и использование специализированных методов визуализации.

Некоторые важные достижения включают в себя:

1. Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля (NSOM): NSOM использует зонд, помещенный близко к поверхности образца, чтобы воспользоваться эффектом ближнего поля и получить изображения с высоким разрешением.

2. Микроскопия с истощением стимулированного излучения (STED): STED использует эффект истощения стимулированного излучения флуоресцентных молекул для получения изображений со сверхвысоким разрешением.

3. Микроскопия со структурированным освещением (SIM): SIM повышает разрешение изображений за счет определенных шаблонов освещения и алгоритмов обработки изображений.

4. Микроскопия локализации одиночных молекул (SMLM): SMLM позволяет получать изображения сверхвысокого разрешения за счет точной локализации и отслеживания отдельных флуоресцентных молекул.

5. Масляно-иммерсионная микроскопия: Погружение линзы объектива в прозрачное масло увеличивает числовую апертуру в пространстве объекта, что приводит к улучшению разрешения.

6. Электронный микроскоп: Заменяя лучи света электронными лучами, электронная микроскопия использует волновую природу материи в соответствии с принципом де Бройля. Электроны, имеющие массу по сравнению с фотонами, имеют меньшую длину волны и демонстрируют меньшую дифракцию, что обеспечивает более высокое разрешение изображения.

Инвертированный флуоресцентный микроскоп

Просвечивающий полевой эмиссионный электронный микроскоп CIQTEK 120 кВ TH-F120

Эти разработки позволили нам наблюдать микроскопический мир на более высоком уровне, получив более глубокое понимание структуры и функций биологических молекул, а также микроскопических свойств материалов.

Кроме того, ученые в настоящее время исследуют следующие методы, позволяющие расширить границы оптической дифракции:

1. Микроскопия поверхностного плазмонного резонанса: Этот метод использует поверхностные плазмонные резонансы на металлических поверхностях для усиления локализованных электромагнитных полей и улучшения разрешения изображений.

2. Нанофотонная микроскопия: Нанофотонная микроскопия манипулирует фотонными структурами на наноуровне для получения изображений сверхвысокого разрешения.

3. Акустическая микроскопия: Для визуализации используются акустические волны с более короткими длинами волн по сравнению со светом, что обеспечивает более высокое разрешение.

Кроме того, ждут изучения и другие направления исследований, чтобы превзойти дифракционный предел, в том числе:

1. Линейно-оптическая микроскопия: Нелинейные оптические эффекты, такие как генерация второй гармоники и генерация третьей гармоники, используются для улучшения разрешения изображения.

2. Интерференционная микроскопия: Интерференционные явления используются для получения информации о фазе образца, тем самым повышая контрастность и разрешение изображения.

3. Микроскопия светового поля: Микроскопия светового поля одновременно записывает информацию об интенсивности и фазе светового поля, что позволяет получать трехмерные изображения и изображения со сверхвысоким разрешением.

4. Метаматериальная микроскопия: Метаматериалы со специальными свойствами, такими как отрицательный показатель преломления и суперлинзы, используются для преодоления дифракционного предела.

5. Микроскопия с глубоким обучением: Сочетание алгоритмов глубокого обучения и методов микроскопии повышает разрешение изображений и возможности анализа.

Преодоление дифракционного предела остается постоянной проблемой. В будущем мы можем стать свидетелями появления еще более совершенных методов микроскопии, открывающих новые возможности для научных исследований.