生物科学门户网站
BIO1000.COM

Hyperlens Crystal能够以前所未有的细节观察活细胞

现在可以构造具有这种能力的仪器,因为在超透镜中使用的光学材料的质量有了根本性的进步,这是一种制造能够分辨远小于光波长的物体的透镜的方法。由范德比尔特大学机械工程副教授Joshua Caldwell领导的研究小组在11月11日发表在Nature Materials杂志上的一篇论文中报道了这一成就。

所涉及的光学材料是六方氮化硼(hBN),一种具有超透明特性的天然晶体。先前报道的使用hBN的最佳分辨率是比使用的红外波长小约36倍的物体:约为最小细菌的大小。这篇新论文描述了晶体质量的改进,使其潜在的成像能力提高了大约十倍。

研究人员通过使用同位素纯化的硼制备hBN晶体来实现这一增强。天然硼含有两种重量相差约10%的同位素,这种组合会显着降低晶体在红外线中的光学性质。

“我们已经证明,通过同位素工程可以克服高透镜的固有效率限制,”美国海军研究实验室研究物理学家团队成员Alexander Giles说。“在纳米尺度上控制和操纵光是众所周知的困难和低效的。我们的工作为下一代材料和设备提供了新的道路。“

加利福尼亚大学,圣地亚哥分校,堪萨斯州立大学,橡树岭国家实验室和哥伦比亚大学的研究人员也参与了这项研究。

研究人员计算出,由纯化晶体制成的镜头原则上可以捕获尺寸小至30纳米的物体图像。从透视角度来看,每英寸有2500万纳米,人发直径在80,000到100,000纳米之间。人体红细胞约为9,000纳米,病毒范围为20至400纳米。

多年来,科学家们开发了许多能够产生纳米级分辨率图像的仪器,如电子显微镜和原子力显微镜。然而,它们与生物体不相容:要么它们在高真空下操作,要么将样品暴露于有害的辐射水平,需要致命的样品制备技术,如冷冻干燥或从其天然的溶液基环境中取出样品。

发展高光透镜的主要原因是他们可以利用低能量光对自然环境中的活细胞提供如此高度详细的图像。此外,使用红外光来执行成像还可以提供关于其成像的物体的光谱信息,从而提供“指纹”材料的手段。这些能力可能对生物和医学科学产生重大影响。该技术还具有通信和纳米级光学元件的潜在应用。

高光的物理学非常复杂。光学显微镜可以成像的细节水平受到光的波长和透镜材料的折射率的限制。当与透镜孔径的因素,从物体到透镜的距离以及观察下的物体的折射率相结合时,这转化为用于成像的波长的约一半的典型光学极限。在该实验中使用的红外波长下,该“衍射极限”约为3,250纳米。使用hBN可以超越这个限制,因为它能够支持表面声子极化子,这是由光子耦合的光子组成的混合粒子,晶体中的振动带电原子的波长比入射光短得多。

在过去,以这种方式使用极化子的问题在于它们消散的速度。通过使用由99%同位素纯硼制成的hBN晶体,研究人员测量了与天然晶体相比光学损失的显着减少,使极化子的寿命增加了三倍,这使得它们可以行进三倍的距离。这种改进转化为成像分辨率的显着改善。研究人员的理论分析表明,另一个十倍的改进因素是可能的。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。