Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии

На протяжении сотен лет люди пытаются усовершенствовать человеческое зрение при помощи всевозможных технических приспособлений. Хотя наши глаза способны распознавать широчайший спектр объектов и их характеристик, они бессильны перед огромными расстояниями и перед микро- и наномирами. Благодаря содействию и финансированию ЕС исследователи проекта ChipScope приблизились к созданию кардинально новой стратегии развития оптической микроскопии.Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии

Привычные большинству людей световые микроскопы, на протяжении десятилетий являющиеся стандартным лабораторным оборудованием, подчиняются фундаментальным законам оптики и физики. Все они беспомощны перед дифракционным пределом Аббе, который отражает минимальное значение светового пятна, получаемого при фокусировке электромагнитного излучения. Этот предел ограничивает размер различимых под объективом светового микроскопа объектов до 200 нанометров.

Konstantin Kolosov / Shutterstock

Переступить дифракционный предел Аббе смогли новые поколения микроскопов: электронные, сканирующие зондовые и т. д. Однако, как правило, они отличаются сложным устройством, массивными компонентами и потребностью в тщательно продуманной инфраструктуре, доступной не каждой лаборатории. Более того, даже самые современные и совершенные оптические микроскопы зачастую не являются достаточно мобильными, чтобы их использование было комфортным в полевых условиях.

Электронный микроскоп ИФП / Yakovlev Viktor

Проект ChipScope направлен на полное переосмысление ключевого элемента световых микроскопов. В классической оптической микроскопии предметное стекло, на котором располагают исследуемые препараты, подсвечивается целиком. Глаз наблюдателя или сенсор камеры улавливает то, как лучи света рассеиваются в каждой точке поверхности предметного стекла одновременно. Побочным эффектом такого подхода является нарушение пространственной когерентности: световые волны, одновременно приходящие из разных точек под разным углом, будут иметь разные фазы. Таким образом мы наблюдаем снижение мощности оптического прибора и, как следствие, снижение максимального разрешения изображения.

 
Идея проекта ChipScope заключается в решении проблемы нарушений пространственной когерентности за счёт уменьшения площади излучения. При точечном подсвечивании степень распространения света зависит от пространственной структуры образца: подобные принципы исследования теневой проекции активно применяются в рентгенографии. Точеные источники света можно получить путём использования массива nanoLED, разрабатываемого в рамках проекта ChipScope. В привычной жизни образцом такой технологии могут служить LED / OLED / AMOLED дисплеи, в которых каждый пиксель можно подсвечивать отдельно. Путём поступательной активации точечных источников света устройство будет сканировать образец, избегая при этом нарушений пространственной когерентности. Исследователи проекта ChipScope уже неплохо преуспели в развитии массива nanoLED: им удалось уменьшить размеры пикселей до 1 нанометра. В основе этой технологии лежит полупроводниковый материал нитрид галлия, широко используемый в производстве белых и голубых светодиодов. Создание массивов из пикселей таких размеров – непростая задача, осуществляемая при помощи фото- и электронной литографии – метода плоской печати с использованием сфокусированных пучков света или электронов.

Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии
Художественная визуализация принципа работы микроскопа ChipScope
Функция Always-On Display возможна благодаря независимому подсвечиванию отдельных пикселей в LED-дисплеях / Vakrieger

Следующий этап проекта ChipScope заключается в разработке сверхчувствительного чипа, способного распознавать световое излучение даже малейшей интенсивности. Многообещающие результаты показали первые эксперименты с лавинными фотодетекторами одиночных фотонов, созданными группой учёных из Университета Барселоны во главе с профессором А. Дьегесом. Исследователи отметили, что повышению разрешения и качества работы прототипа микроскопа ChipScope способствовало уменьшение расстояния между препаратом и источником точечного подсвечивания. Учёные считают, что для достижения минимальной дистанции между «предметным стеклом» и образцом можно применять системы микрофлюидных каналов – изящные матрицы, сформированные в слое полимера при помощи фотолитографии или травления. По этим каналам циркулирует специальная жидкость, которая переносит образец: используя высокоточные насосы, содержимое канала можно направлять и удерживать над источниками света. Разработкой подобных систем для проекта ChipScope займутся учёные из Австрийского технологического института.

Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии
Схематическое изображение принципа работы безлинзового микроскопа, который работает за счёт сверхчувствительного фотодетектора и точечного подсвечивания предметного стекла
Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии
H/Wasisto_TUBS

В объединённом проекте ChipScope также принимают участие исследователи из Венского медицинского университета, Римского университета Тор Вергата, Мюнхенского университета и Швейцарского фонда исследований в сфере микротехнологий.

Проект ChipScope: революция в мире оптической микроскопии
Художественная демонстрация того, как будут выглядеть образец лёгочной ткани пациента с идиопатическим лёгочным фиброзом под объективом безлинзового оптического микроскопа ChipScope

Источник фото: ChipScope

Поделиться в соцсетях

Добавить комментарий