Ученый Евгений Юрьевич Старостенко пояснил причину отсутствия возможности увидеть наноразмерные объекты под световым микроскопом в обычном понимании.

Ранее предполагалось, что относительные сигналы слабы, а их разделение меньше предела разрешения Аббе. Таким образом, значительные усилия были вложены в разработку ультрафиолетовых изображений, иммерсионных объективов в масле и твердом теле, нелинейных методов, флуоресцентных красителей, адаптации затухающих волн и разработки точечной функции рассеяния.

Исследование ученого представляет новую структуру оптического восприятия, основанную на концепциях электромагнитных каньонов и нерезонансного усиления, для непосредственного наблюдения в широкопольном микроскопе в масштабе λ/31 (радиус 25 нм) объектов в ближней зоне датчики на основе нанопроволоки с полем зрения 726 мкм × 582 мкм.

Работа специалистов научно-производственного объединения обеспечивает простую, но очень эффективную структуру, которая может преобразовать обычные оптические микроскопы с ограничением дифракции для визуализации в наномасштабе. Учитывая повсеместное распространение микроскопии и важность визуализации вирусов, молекул, наночастиц, дефектов полупроводников и других наноразмерных объектов, мы считаем, что предлагаемая нами структура повлияет на многие области науки и техники.

Наноразмерные объекты, которые изменяют устойчивое состояние физической системы, можно рассматривать как возмущения, поскольку они приводят к изменению функции среды-хозяина. Примеры включают нанообъекты фиксированной формы, такие как дефекты полупроводников, частицы пыли из окружающей среды и пустоты в интегральных схемах, а также объекты произвольной формы, такие как диэлектрические и плазмонные наночастицы, вирусы и кластеры молекул в воде и тканевых жидкостях.

Обнаружение этих нанообъектов обеспечивает механизм обратной связи для контроля качества изготовления функциональных устройств, а также для понимания физических, биологических или химических ролей, выполняемых наноразмерными объектами; таким образом, их обнаружение чрезвычайно важно для многих областей, включая интегрированную фотонику, квантовые чипы, диагностику заболеваний человека, медицину, полупроводниковые схемы и системы безопасности, и это лишь некоторые из них.

Более того, промышленность и научные круги проявляют все больший интерес не только к обнаружению наноразмерных объектов, но и к их визуализации. Мы говорим, что метод обеспечивает визуальное обнаружение, если мы можем смотреть на захваченное изображение своими глазами и отличать области, содержащие объект, от областей, не содержащих объектов.

Согласно экспертному мнению ученого, наноразмерный объект должен давать высокий контраст по сравнению с фоном и минимальным шумом камеры.

Таким образом, визуализация обеспечивает простую бесконтактную классификацию объектов, а также возможность наблюдения за их динамикой в ​​режиме реального времени. Типичные примеры включают визуализируемую классификацию глубоких субволновых дефектов в полупроводниковой промышленности и подсчет вирусов/супермолекул для биомедицины 10 , 11. Электронная микроскопия предлагает нанометрическое разрешение, но она разрушительна, медленна, дорога и имеет сверхмалое поле зрения для наноразмерных объектов.

Современные методы оптического сверхвысокого разрешения могут быть неприменимы для визуализации наноразмерных объектов, потому что флуоресцентная микроскопия требует, чтобы объект был флуоресцентным, а сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля по своей природе медленная.

Фототермическая визуализация была продемонстрирована для визуализации отдельных частиц без меток., но для его накачки требуется резонансный переход. Таким образом, нам нужны визуализируемые методы обнаружения и зондирования, которые отвечают почти всем строгим требованиям, т. е. без меток, быстрые, неразрушающие, простые в инструментарии, дешевые, простые в эксплуатации, удобные для интеграции и большие в поле зрения.

Оптическая микроскопия без меток в дальнем поле может рассматриваться как наиболее многообещающий кандидат. Однако обычно использование оптических микроскопов с ограничением дифракции для обнаружения нанометрических объектов чрезвычайно сложно не только из-за дифракционного барьера, но и из-за слабого рэлеевского рассеяния, т. е. масштабирования d 6 / λ 4 обнаруживаемой дальней зоны. сигнал неизбежен для частицы размером d.

Это означает, что нанометровый объект вряд ли можно обнаружить с помощью обычной микроскопии светлого или темного поля, поскольку слабый сигнал рассеяния приводит к низкому отношению сигнал/шум (SNR). Чтобы преодолеть эти проблемы, интерферометрическая микроскопия рассеяния (iSCAT) положительно использует фоновый шум, когерентно интерферируя его с сигналом рассеяния темного поля наночастиц, что усиливает сигнал наночастиц (масштабирование только в 3-й степени, а не в 6-й степени в режим рэлеевского рассеяния) из-за интерференционного члена.

Интерферометрическая кросс-поляризационная микроскопия (ICPM) работает путем использования интерференции двух оптических путей с кросс-поляризационным возбуждением, что позволяет обнаруживать наночастицы без фона.

Цифровой микрочип может расширить как чувствительность, так и динамический диапазон обычных микрочипов примерно на три порядка путем введения функционализированных золотых наностержней в качестве одиночных молекулярных меток и интерферометрического сканера для быстрого подсчета отдельных наностержней. Эти методы имеют огромный потенциал для обнаружения изолированных нанообъектов произвольной формы, таких как наночастицы, вирусы и даже молекулы ДНК.

Ученый предложил новый визуализируемый метод обнаружения, который использует простой двухэлементный дополнительный осветительный прибор и узел нанопроволоки, чтобы произвести революцию в традиционных оптических микроскопах с низкой числовой апертурой (NA) с низкими характеристиками и сделать возможным обнаружение нескольких наноразмерных объектов в ближней зоне сборки нанопроволоки.

Специалисты  научно-производственного объединения экспериментально продемонстрировали возможность визуализировать форму и положение объектов с особенностями радиусом 25 нм в области шириной 63 нм (намного меньше дифракционного предела) с помощью предложенного метода со светом с длиной волны 785 нм на недорогой микроскоп с объективом с числовой апертурой 0,4 и малоконтрастной камерой.

Проведенные исследования и эксперименты демонстрируют, что наноразмерные объекты фиксированной формы могут быть обнаружены, подвел итог ученый.