eng
Выпуск #5/2021
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, С.А.Сенотрусова, З.Ван, Ю.Бинг, Б.С.Лукьянчук, Е.В.Бармина, А.В.Симакин, Г.А.Шафеев
Новое решение для бионаноскопии на основе технологии оптических микролинз
Новое решение для бионаноскопии на основе технологии оптических микролинз
Просмотры: 1678
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.292.297
Микролинзовая микроскопия – это относительно новое и многообещающее решение для преодоления дифракционного предела в оптической микроскопии. Благодаря использованию сфер из титаната бария возможно получение оптических изображений с разрешением в десятки нанометров. Совмещенная зондовая и микролинзовая микроскопия позволяет осуществлять регистрацию широкого спектра физических и биохимических параметров изучаемых образцов. Существенным достоинством метода является возможность наблюдения биоматерии как с использованием меток и маркеров, а также, что очень существенно, и без них. Это недостижимо для многих других традиционных методов исследования. Использование лазера на парах меди в оптической установке дает возможность исследовать биологические объекты с низкой интенсивностью света.
Микролинзовая микроскопия – это относительно новое и многообещающее решение для преодоления дифракционного предела в оптической микроскопии. Благодаря использованию сфер из титаната бария возможно получение оптических изображений с разрешением в десятки нанометров. Совмещенная зондовая и микролинзовая микроскопия позволяет осуществлять регистрацию широкого спектра физических и биохимических параметров изучаемых образцов. Существенным достоинством метода является возможность наблюдения биоматерии как с использованием меток и маркеров, а также, что очень существенно, и без них. Это недостижимо для многих других традиционных методов исследования. Использование лазера на парах меди в оптической установке дает возможность исследовать биологические объекты с низкой интенсивностью света.
Теги: biological objects bionanoscopy nanoscale nanoworld optical microscope probe microscope биологические объекты бионаноскопия зондовый микроскоп наномасштаб наномир оптический микроскоп
НОВОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ БИОНАНОСКОПИИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ОПТИЧЕСКИХ МИКРОЛИНЗ
NEW SOLUTION FOR BIONANOSCOPY BASED ON THE OPTICAL MICROLENS TECHNOLOGY
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. науч. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, вед. специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030), С.А.Сенотрусова1, 2, инженер (ORCID 0000-0003-0960-8920), З.Ван5, PhD, ст. преп., (ORCID: 0000-0002-3282-1052), Ю.Бинг5, PhD, науч. сотр., (ORCID: 0000-0003-4944-6735), Б.С.Лукьянчук1, гл. науч. сотр. физического факультета МГУ (ORCID: 0000-0002-3282-1052), Е.В.Бармина1,
д.ф.-м.н., зав. лаб. Института общей физики имени А.М.Прохорова РАН, (ORCID: 0000-0003-0735-2896), А.В.Симакин6, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр. Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, (ORCID: 0000-0003-3124-9119), Г.А.Шафеев6, д.ф.-м.н., гл. науч. сотр. Института общей физики имени А.М.Прохорова РАН,
(ORCID: 0000-0002-9230-1542) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center and Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, S.A.Senotrusova1,2, Engineer, Z.Wang5, PhD, Senior Lecturer, Yu.Bing5, PhD, Researcher, B.S.Luk’yanchuk1, Senior Researcher, E.V.Barmina1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, A.V.Simakin6, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher, G.A.Shafeev6, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.292.297
Получено: 06.08.2021 г.
Микролинзовая микроскопия – это относительно новое и многообещающее решение для преодоления дифракционного предела в оптической микроскопии. Благодаря использованию сфер из титаната бария возможно получение оптических изображений с разрешением в десятки нанометров. Совмещенная зондовая и микролинзовая микроскопия позволяет осуществлять регистрацию широкого спектра физических и биохимических параметров изучаемых образцов. Существенным достоинством метода является возможность наблюдения биоматерии как с использованием меток и маркеров, а также, что очень существенно, и без них. Это недостижимо для многих других традиционных методов исследования. Использование лазера на парах меди в оптической установке дает возможность исследовать биологические объекты с низкой интенсивностью света.
The microlens microscopy is a relatively new and promising solution to overcome the optical microscopy diffraction limit. It is possible to obtain the optical images with a resolution of tens nanometers using the spheres made of barium titanate. Moreover, combining the probe and microlens microscopy makes it possible to register a wide range of physical and biochemical parameters of the studied samples spectra. The great advantage of this method is a possibility to study a biomaterial either using labels and markers or not, which is essential. This is unattainable by many other conventional research methods. The use of a copper-vapour laser in an optical scheme, makes it possible to study biological objects at low light intensity.
ВВЕДЕНИЕ
Включение микролинзы в систему оптического микроскопа позволяет получить изображение объекта с преодолением дифракционного предела. В настоящее время эта возможность реализована в традиционной оптической микроскопии проходящего и отраженного света [1–3], интерференционной микроскопии [4], флуоресцентной микроскопии [5], конфокальной микроскопии [6] и рамановской микроскопии [7].
Микролинзовая микроскопия открывает новые возможности наблюдения процессов в живой природе с разрешением в десятки нанометров. При этом, в отличие от оптической микроскопии сверхвысокого разрешения на основе применения флуоресцентных меток, в микролинзовой микроскопии необходимость применения меток и красителей полностью отпадает. Однако, при достижении достаточной яркости и контраста изображения, сами объекты освещаются оптическим излучением высокой интенсивности. Это не всегда является допустимым при наблюдении биологических объектов. Многие процессы в живой природе необходимо наблюдать при невысоком уровне освещенности. Такую возможность дает представленное в настоящей статье инновационное решение за счет совмещения микролинзовой микроскопии с оптической схемой на основе лазера на парах меди. В этом решении отраженный от биообъекта свет проходит через активную среду лазера и получает многократное усиление яркости. Благодаря этому получается яркое изображение при щадящем освещении биологического объекта. Применение дополнительной микролинзы в схеме позволяет получить оптическое изображение, не ограниченное дифракционным пределом. При этом сама микролинза действует как оптический элемент, который преобразует затухающие волны в ближней зоне в распространяющиеся волны в дальней зоне.
Ранее на базе оптического микроскопа Zeiss AxioScope 40 с апертурой 0,9 и микролинзы из титаната бария нами были проведены измерения топографии микросхемы и были получены изображения с различимым паттерном в 150 нм [8]. Геометрические и оптические параметры системы визуализации оказывают существенное влияние на качество формирования изображения. Определено, что поле обзора системы визуализации с использованием микросфер пропорционально квадратному корню из диаметра микролинзы. Например, при освещении светом с длиной волны 500 нм линзы размером в 25 мкм, диаметр поля обзора составляет величину около 5 мкм [9].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе нами была реализована оптическая схема на основе совмещения микролинзы и лазерного проекционного микроскопа на основе оптического усилителя лазера на парах меди (ЛПМ) [10]. Оптическая схема установки представлена на рис.1. Излучение сверхсветимости активного элемента средней мощностью порядка нескольких десятков милливатт с помощью объектива с числовой апертурой NA=0,65 направляется на тестовый объект – хромовое покрытие на стекле либо микросхему с нанометровой топографией. Характерный размер поля обзора установки – 10–20 мкм. После отражения от объекта излучение возвращается в активную среду и усиливается по яркости за один проход примерно в 1 000 раз. На выходе получается световой пучок, несущий увеличенное изображение объекта, со средней мощностью уже 1 Вт и более, в зависимости от отражательной способности объекта. Установка позволяет получить яркое изображение объекта на экране площадью порядка 1 кв. м при малой плотности энергии на самом объекте. Это схема ЛПМ на отражение. Впервые оптическая схема просвечивающего лазерного проекционного микроскопа на основе активной среды лазера на парах меди была реализована в работе [11]. Данная схема была применена для визуализации изменения структуры нейронов виноградной улитки в процессе генерации ими электрических импульсов [12].
На базе данной установки с помощью микросферы диаметром 12 мкм получено изображение образца калибровочной решетки.
При использовании микросферы диаметром 12 мкм и с показателем преломления 1,9
фокусное расстояние составляет в соответствии с формулой [13]:
. (1)
Фокусное расстояние f измеряется от центра микролинзы, n – показатель преломления. В соответствии с формулой (1) фокус располагается на расстоянии в 0,3 мкм от поверхности микролинзы.
Дальнейшее увеличение разрешающей способности установки возможно при использовании атомно-силовой микроскопии. В настоящее время нами осуществлено моделирование оптимального совмещения схемы традиционного оптического микроскопа, микролинзовой оптики, системы прецизионных перемещений и зондового микроскопа. Проведены расчеты разрешающей способности микролинз [14]. Метрологическая поверка платформы бионаноскопии осуществлена с помощью параллельных измерений на зондовом микроскопе.
Синхронизация оптических, зондовых измерений проводилась с помощью высокопроизводительного цифрового контроллера (на базе FPGA – field programmable gate array – Xilinx Spartan 6). Разработана цифровая система сбора данных и управления параметрами с адаптивной обратной связью на базе "ПО ФемтоСкан Онлайн" [15–16].
Объединение зондовой и микролинзовой микроскопии в единой установке позволяет добиться значительного результата: временного быстродействия на уровне долей мкс, большого поля обзора в сотни микрон, эффективного манипулирования с биообъектами.
Использование установки в биомедицинских исследованиях открывает новые уникальные возможности по непосредственному наблюдению молекулярных механизмов функционирования живой материи, изучению развития вирусной инфекции, скрининга лекарств и др.
Использование в оптической системе лазера на парах меди дает существенное преимущество в наблюдении биологических объектов. Их визуализация может проводиться в условиях слабой освещенности. В традиционной микролинзовой оптике для достижения необходимого контраста интенсивность света из-за образования фотонной струи достигает больших значений. При наблюдении биологических объектов это может приводить к их повреждению и даже сгоранию. При использовании лазера на парах меди в оптической системе удается получать высокий контраст при существенно меньшей степени освещенности образца. Это, безусловно, благотворно влияет на весь ход наблюдений процессов в живой природе при высоком пространственном разрешении на уровне 1/4–1/8 длины волны.
Полноценное совмещение микролинзовой технологии, оптического усилителя на основе лазера на парах меди и атомно-силового микроскопа позволяет получить рекордные параметры по наблюдению за биологическими жидкостями не только на воздухе, но и в жидкости. Достигаемые технические параметры:
Перспективными моделями для совмещенной установки микроскопии являются быстродействующий атомно-силовой микроскоп "ФемтоСкан X" и лазер на парах меди в качестве оптического усилителя.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z. Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. (2016) 16, 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641.
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. (2016) 2, e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciad. v. 1600901.
Perrin S., Lecler S., Montgomery P. Microsphere-Assisted Interference Microscopy. In: Astratov V. (eds) Label-Free Super-Resolution Microscopy. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. Springer, Cham. (2019) https://doi.org/10.1007/978-3-030-21722-8_17.
Wang F., Liu L. et al. Scanning superlens microscopy for non-invasive large field-of-view visible light nanoscale imaging. Nat. Commun. 7, 13748 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms13748.
Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique. Opt. Express 12(7), 1214–1220 (2004). https://doi.org/10.1364/OPEX.12.001214.
Kasim J., Yu T. et al. Near-field Raman imaging using optically trapped dielectric microsphere. Opt. Express 16 (11), 7976–7984 (2008). https://doi.org/10.1364/OE.16.007976.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A. Optical microscopy using microlenses. Nanoindustry, 14 (3–4) 22–25 (2021). doi: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.184.187
Lin Q., Wang D. et al. Super-resolution imaging by microsphere-assisted optical microscopy. Opt. Quant. Electron. 48, 557 (2016). https://doi.org/10.1007/s11082-016-0833-2.
Zemskov K.I., Isaev A.A., Kazaryan M.A., Petrash G.G. Laser Projection Microscope. Quantum Electronics 1, 14–15 (1974). https://doi.org/
10.1070%2FQE1974v004n01ABEH005659.
Zemskov K.I., Kazaryan M., Savranskiĭ V.V., Shafeev G.A. Transmitted-light laser projection microscope. Soviet Journal of Quantum Electronics, 9 (11), 1464 (1979). https://doi.org/10.1070%2FQE1979v009n11ABEH009767.
Morozova E.A., Prokhorov A.M., Savransky V.V., Shafeev G.A. High-speed frame-by-frame registration of images of biological objects using a laser projection microscope, Reports of the USSR Academy of Sciences, 261. No. 6. 1460 (1981).
Luk’yanchuk B.S., Paniagua-Domínguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mater. Express 7, 1820–1847 (2017). https://doi.org/10.1364/OME.7.001820.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A. Microlens microscopy opens up new possibilities in the visualization of biological objects. Medicine and high technologies, 1, 51–55 (2021). http://dx.doi.org/10.34219/2306-3645-2021-11-1-51-55.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software for virus research. Nanoindustry,
14 (1 (103)), 62–67 (2021). https://doi.org/10.22184/
1993-8578.2021.14.1.62.67
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software for solving problems in biology and medicine. Medicine and high technologies, (1), 16–22 (2019).
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
NEW SOLUTION FOR BIONANOSCOPY BASED ON THE OPTICAL MICROLENS TECHNOLOGY
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. науч. сотр. ИНЭОС РАН, директор Центра перспективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, вед. специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030), С.А.Сенотрусова1, 2, инженер (ORCID 0000-0003-0960-8920), З.Ван5, PhD, ст. преп., (ORCID: 0000-0002-3282-1052), Ю.Бинг5, PhD, науч. сотр., (ORCID: 0000-0003-4944-6735), Б.С.Лукьянчук1, гл. науч. сотр. физического факультета МГУ (ORCID: 0000-0002-3282-1052), Е.В.Бармина1,
д.ф.-м.н., зав. лаб. Института общей физики имени А.М.Прохорова РАН, (ORCID: 0000-0003-0735-2896), А.В.Симакин6, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр. Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, (ORCID: 0000-0003-3124-9119), Г.А.Шафеев6, д.ф.-м.н., гл. науч. сотр. Института общей физики имени А.М.Прохорова РАН,
(ORCID: 0000-0002-9230-1542) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center and Energy Efficient Technologies, Leading Sci. of INEOS RAS, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, S.A.Senotrusova1,2, Engineer, Z.Wang5, PhD, Senior Lecturer, Yu.Bing5, PhD, Researcher, B.S.Luk’yanchuk1, Senior Researcher, E.V.Barmina1, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Head of Laboratory, A.V.Simakin6, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher, G.A.Shafeev6, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.292.297
Получено: 06.08.2021 г.
Микролинзовая микроскопия – это относительно новое и многообещающее решение для преодоления дифракционного предела в оптической микроскопии. Благодаря использованию сфер из титаната бария возможно получение оптических изображений с разрешением в десятки нанометров. Совмещенная зондовая и микролинзовая микроскопия позволяет осуществлять регистрацию широкого спектра физических и биохимических параметров изучаемых образцов. Существенным достоинством метода является возможность наблюдения биоматерии как с использованием меток и маркеров, а также, что очень существенно, и без них. Это недостижимо для многих других традиционных методов исследования. Использование лазера на парах меди в оптической установке дает возможность исследовать биологические объекты с низкой интенсивностью света.
The microlens microscopy is a relatively new and promising solution to overcome the optical microscopy diffraction limit. It is possible to obtain the optical images with a resolution of tens nanometers using the spheres made of barium titanate. Moreover, combining the probe and microlens microscopy makes it possible to register a wide range of physical and biochemical parameters of the studied samples spectra. The great advantage of this method is a possibility to study a biomaterial either using labels and markers or not, which is essential. This is unattainable by many other conventional research methods. The use of a copper-vapour laser in an optical scheme, makes it possible to study biological objects at low light intensity.
ВВЕДЕНИЕ
Включение микролинзы в систему оптического микроскопа позволяет получить изображение объекта с преодолением дифракционного предела. В настоящее время эта возможность реализована в традиционной оптической микроскопии проходящего и отраженного света [1–3], интерференционной микроскопии [4], флуоресцентной микроскопии [5], конфокальной микроскопии [6] и рамановской микроскопии [7].
Микролинзовая микроскопия открывает новые возможности наблюдения процессов в живой природе с разрешением в десятки нанометров. При этом, в отличие от оптической микроскопии сверхвысокого разрешения на основе применения флуоресцентных меток, в микролинзовой микроскопии необходимость применения меток и красителей полностью отпадает. Однако, при достижении достаточной яркости и контраста изображения, сами объекты освещаются оптическим излучением высокой интенсивности. Это не всегда является допустимым при наблюдении биологических объектов. Многие процессы в живой природе необходимо наблюдать при невысоком уровне освещенности. Такую возможность дает представленное в настоящей статье инновационное решение за счет совмещения микролинзовой микроскопии с оптической схемой на основе лазера на парах меди. В этом решении отраженный от биообъекта свет проходит через активную среду лазера и получает многократное усиление яркости. Благодаря этому получается яркое изображение при щадящем освещении биологического объекта. Применение дополнительной микролинзы в схеме позволяет получить оптическое изображение, не ограниченное дифракционным пределом. При этом сама микролинза действует как оптический элемент, который преобразует затухающие волны в ближней зоне в распространяющиеся волны в дальней зоне.
Ранее на базе оптического микроскопа Zeiss AxioScope 40 с апертурой 0,9 и микролинзы из титаната бария нами были проведены измерения топографии микросхемы и были получены изображения с различимым паттерном в 150 нм [8]. Геометрические и оптические параметры системы визуализации оказывают существенное влияние на качество формирования изображения. Определено, что поле обзора системы визуализации с использованием микросфер пропорционально квадратному корню из диаметра микролинзы. Например, при освещении светом с длиной волны 500 нм линзы размером в 25 мкм, диаметр поля обзора составляет величину около 5 мкм [9].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе нами была реализована оптическая схема на основе совмещения микролинзы и лазерного проекционного микроскопа на основе оптического усилителя лазера на парах меди (ЛПМ) [10]. Оптическая схема установки представлена на рис.1. Излучение сверхсветимости активного элемента средней мощностью порядка нескольких десятков милливатт с помощью объектива с числовой апертурой NA=0,65 направляется на тестовый объект – хромовое покрытие на стекле либо микросхему с нанометровой топографией. Характерный размер поля обзора установки – 10–20 мкм. После отражения от объекта излучение возвращается в активную среду и усиливается по яркости за один проход примерно в 1 000 раз. На выходе получается световой пучок, несущий увеличенное изображение объекта, со средней мощностью уже 1 Вт и более, в зависимости от отражательной способности объекта. Установка позволяет получить яркое изображение объекта на экране площадью порядка 1 кв. м при малой плотности энергии на самом объекте. Это схема ЛПМ на отражение. Впервые оптическая схема просвечивающего лазерного проекционного микроскопа на основе активной среды лазера на парах меди была реализована в работе [11]. Данная схема была применена для визуализации изменения структуры нейронов виноградной улитки в процессе генерации ими электрических импульсов [12].
На базе данной установки с помощью микросферы диаметром 12 мкм получено изображение образца калибровочной решетки.
При использовании микросферы диаметром 12 мкм и с показателем преломления 1,9
фокусное расстояние составляет в соответствии с формулой [13]:
. (1)
Фокусное расстояние f измеряется от центра микролинзы, n – показатель преломления. В соответствии с формулой (1) фокус располагается на расстоянии в 0,3 мкм от поверхности микролинзы.
Дальнейшее увеличение разрешающей способности установки возможно при использовании атомно-силовой микроскопии. В настоящее время нами осуществлено моделирование оптимального совмещения схемы традиционного оптического микроскопа, микролинзовой оптики, системы прецизионных перемещений и зондового микроскопа. Проведены расчеты разрешающей способности микролинз [14]. Метрологическая поверка платформы бионаноскопии осуществлена с помощью параллельных измерений на зондовом микроскопе.
Синхронизация оптических, зондовых измерений проводилась с помощью высокопроизводительного цифрового контроллера (на базе FPGA – field programmable gate array – Xilinx Spartan 6). Разработана цифровая система сбора данных и управления параметрами с адаптивной обратной связью на базе "ПО ФемтоСкан Онлайн" [15–16].
Объединение зондовой и микролинзовой микроскопии в единой установке позволяет добиться значительного результата: временного быстродействия на уровне долей мкс, большого поля обзора в сотни микрон, эффективного манипулирования с биообъектами.
Использование установки в биомедицинских исследованиях открывает новые уникальные возможности по непосредственному наблюдению молекулярных механизмов функционирования живой материи, изучению развития вирусной инфекции, скрининга лекарств и др.
Использование в оптической системе лазера на парах меди дает существенное преимущество в наблюдении биологических объектов. Их визуализация может проводиться в условиях слабой освещенности. В традиционной микролинзовой оптике для достижения необходимого контраста интенсивность света из-за образования фотонной струи достигает больших значений. При наблюдении биологических объектов это может приводить к их повреждению и даже сгоранию. При использовании лазера на парах меди в оптической системе удается получать высокий контраст при существенно меньшей степени освещенности образца. Это, безусловно, благотворно влияет на весь ход наблюдений процессов в живой природе при высоком пространственном разрешении на уровне 1/4–1/8 длины волны.
Полноценное совмещение микролинзовой технологии, оптического усилителя на основе лазера на парах меди и атомно-силового микроскопа позволяет получить рекордные параметры по наблюдению за биологическими жидкостями не только на воздухе, но и в жидкости. Достигаемые технические параметры:
- оптическое разрешение 25–50 нм,
- пространственное разрешение атомно-силовой микроскопии по трем координатам X-Y-Z – 1–1–0,1 нм,
- временное разрешение атомно-силовой микроскопии – 1 мс,
- временное разрешение микролинзовой микроскопии – 1 мс.
Перспективными моделями для совмещенной установки микроскопии являются быстродействующий атомно-силовой микроскоп "ФемтоСкан X" и лазер на парах меди в качестве оптического усилителя.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211.
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z. Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. (2016) 16, 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641.
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. (2016) 2, e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciad. v. 1600901.
Perrin S., Lecler S., Montgomery P. Microsphere-Assisted Interference Microscopy. In: Astratov V. (eds) Label-Free Super-Resolution Microscopy. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. Springer, Cham. (2019) https://doi.org/10.1007/978-3-030-21722-8_17.
Wang F., Liu L. et al. Scanning superlens microscopy for non-invasive large field-of-view visible light nanoscale imaging. Nat. Commun. 7, 13748 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms13748.
Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique. Opt. Express 12(7), 1214–1220 (2004). https://doi.org/10.1364/OPEX.12.001214.
Kasim J., Yu T. et al. Near-field Raman imaging using optically trapped dielectric microsphere. Opt. Express 16 (11), 7976–7984 (2008). https://doi.org/10.1364/OE.16.007976.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A. Optical microscopy using microlenses. Nanoindustry, 14 (3–4) 22–25 (2021). doi: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.184.187
Lin Q., Wang D. et al. Super-resolution imaging by microsphere-assisted optical microscopy. Opt. Quant. Electron. 48, 557 (2016). https://doi.org/10.1007/s11082-016-0833-2.
Zemskov K.I., Isaev A.A., Kazaryan M.A., Petrash G.G. Laser Projection Microscope. Quantum Electronics 1, 14–15 (1974). https://doi.org/
10.1070%2FQE1974v004n01ABEH005659.
Zemskov K.I., Kazaryan M., Savranskiĭ V.V., Shafeev G.A. Transmitted-light laser projection microscope. Soviet Journal of Quantum Electronics, 9 (11), 1464 (1979). https://doi.org/10.1070%2FQE1979v009n11ABEH009767.
Morozova E.A., Prokhorov A.M., Savransky V.V., Shafeev G.A. High-speed frame-by-frame registration of images of biological objects using a laser projection microscope, Reports of the USSR Academy of Sciences, 261. No. 6. 1460 (1981).
Luk’yanchuk B.S., Paniagua-Domínguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mater. Express 7, 1820–1847 (2017). https://doi.org/10.1364/OME.7.001820.
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Senotrusova S.A. Microlens microscopy opens up new possibilities in the visualization of biological objects. Medicine and high technologies, 1, 51–55 (2021). http://dx.doi.org/10.34219/2306-3645-2021-11-1-51-55.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software for virus research. Nanoindustry,
14 (1 (103)), 62–67 (2021). https://doi.org/10.22184/
1993-8578.2021.14.1.62.67
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online software for solving problems in biology and medicine. Medicine and high technologies, (1), 16–22 (2019).
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
