Общеизвестно, что с помощью оптической микроскопии невозможно рассмотреть столь малые объекты, как, например, отдельные молекулы. По крайней мере, так было до сих пор. Но ученые придумали прием, позволяющий дать микроскопу гораздо более острое зрение.

Группа исследователей из Лаборатории Беркли (Berkeley Lab), возглавляемая Стивеном Чу (Steven Chu), разработала технику, позволяющую получать изображения с разрешением до 0.5 нанометра с помощью ПЗС-матрицы.

Для каждого оптического прибора существует так называемый дифракционный предел, ограничивающий минимальный размер объекта, изображение которого можно получить. Если объект будет слишком мал, волна электромагнитного излучения (света) не отразится от него, а обогнет. Предельные размеры «различаемых» прибором объектов приблизительно равны половине длины волны используемого излучения. Так, например, для обычного оптического микроскопа дифракционный предел — около 200 нанометров. Для сравнения, размер молекулы ДНК — примерно 2,5 нм.

Возникает закономерный вопрос — почему бы не использовать другой тип микроскопа (например, электронный) там, где разрешения оптического не достаточно? Дело в том, что для исследования биологических образцов (в частности, пространственных структур белков) в водных средах такие системы не годятся. Для обнаружения отдельных флуоресцентных меток, «прикрепленных» к интересующим исследователя биологическим молекулам, используются приборы с зарядовой связью (ПЗС) — разбитые на пиксели кремниевые матрицы. Такая технология позволила достичь разрешений около 5 нанометров, но до сих пор с её помощью не было получено изображений молекул намного меньших, чем 20 нм.

Чу и его коллеги использовали тот же принцип ПЗС-флуоресценции, чтобы получить изображения с разрешением менее нанометра. Для этого они разработали способ коррекции изображения.

Когда фотон попадает на кремний в ПЗС-матрице, он «выбивает» из него электроны. Формирующийся таким образом заряд зависит от интенсивности падающего света. Однако поглощение фотона и появление измеряемого заряда зависит от того, в какую именно точку (пиксель) чипа попал этот фотон. Эта незначительная неоднородность поверхности чипа неизбежно возникает в процессе его производства и вызывает «размывание» пикселей, что делает почти невозможным получение изображения объектов, размеры которых не превышают несколько нанометров.

Исследователи разработали активную систему с обратной связью, которая позволяет им работать с объектами, меньшими, чем область неоднородности ПЗС-матрицы, составляющая 3 пикселя. Благодаря этой системе, а также использованию дополнительных оптических пучков для стабилизации системы микроскопа, они смогли создать калиброванные области на поверхности чипа, где ошибка, связанная с неоднородностью, не превышала 0,5 нм. Поместив изучаемую молекулу в центр этой области, можно получить её различимое изображение.

Путем смещения матрицы на малые расстояния и вычисления геометрических центров (центров тяжести) изображений, система измеряет не только неравномерность фотоэффекта между различными пикселями, но и неравномерность внутри отдельно взятого пикселя. В результате такой калибровки становится возможным откорректировать наблюдаемые положения объектов. Поскольку неравномерность является свойством конкретной ПЗС-матрицы и не меняется со временем, результаты одной калибровки можно использовать многократно.

В настоящий момент ученые активно используют разработанную ими технику для исследования биологических образцов.

По пресс-релизу Berkeley Lab