Тонкая настройка: Откалиброванная матрица
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
