Một cách tiếp cận mới đối với kính hiển vi quang học

Trong nửa thiên niên kỷ, con người đã cố gắng nâng cao tầm nhìn của con người bằng các biện pháp kỹ thuật. Mặc dù mắt người có khả năng nhận dạng các đặc điểm trên một phạm vi kích thước rộng, nhưng nó đạt đến giới hạn khi nhìn vào các vật thể ở khoảng cách khổng lồ hoặc trong thế giới vi mô và nano. Các nhà nghiên cứu của dự án ChipScope do EU tài trợ hiện đang phát triển một chiến lược hoàn toàn mới đối với kính hiển vi quang học.

Kính hiển vi ánh sáng thông thường, vẫn là thiết bị tiêu chuẩn trong các phòng thí nghiệm, làm cơ sở cho các định luật cơ bản của quang học. Do đó, độ phân giải bị giới hạn bởi nhiễu xạ đối với cái gọi là ‘giới hạn Abbe’ – các đặc điểm cấu trúc nhỏ hơn mức tối thiểu 200 nm không thể phân giải được bằng loại kính hiển vi này.

Cho đến nay, tất cả các công nghệ để vượt qua giới hạn Abbe đều dựa vào các thiết lập phức tạp, với các thành phần cồng kềnh và cơ sở hạ tầng phòng thí nghiệm tiên tiến. Ngay cả kính hiển vi ánh sáng thông thường, trong hầu hết các cấu hình, cũng không phù hợp làm thiết bị di động để thực hiện nghiên cứu ngoài thực địa hoặc ở vùng sâu vùng xa. Trong dự án ChipScope do EU tài trợ, một chiến lược hoàn toàn mới đối với kính hiển vi quang học đã được khám phá. Trong kính hiển vi quang học cổ điển, khu vực mẫu được phân tích được chiếu sáng đồng thời, thu thập ánh sáng tán xạ từ mỗi điểm bằng máy dò chọn lọc khu vực, ví dụ như mắt người hoặc cảm biến của máy ảnh. Thay vào đó, trong ý tưởng ChipScope, một nguồn sáng có cấu trúc với các phần tử nhỏ, có thể định địa chỉ riêng lẻ được sử dụng. Như mô tả trong hình, mẫu được đặt trên đỉnh của nguồn sáng này, ở gần. Bất cứ khi nào các bộ phát đơn lẻ được kích hoạt, sự lan truyền ánh sáng phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mẫu, rất giống với cái được gọi là tạo ảnh bóng trong thế giới vĩ mô. Để có được hình ảnh, tổng lượng ánh sáng truyền qua vùng mẫu được cảm biến bởi một máy dò, kích hoạt một phần tử ánh sáng tại một thời điểm và do đó quét qua không gian mẫu. Nếu các phần tử ánh sáng có kích thước ở chế độ nanomet và mẫu tiếp xúc gần với chúng, thì trường quang gần có liên quan và hình ảnh siêu phân giải có thể trở nên khả thi với thiết lập dựa trên chip. tổng lượng ánh sáng truyền qua vùng mẫu được cảm biến bởi một máy dò, kích hoạt một phần tử ánh sáng tại một thời điểm và do đó quét qua không gian mẫu. Nếu các phần tử ánh sáng có kích thước ở chế độ nanomet và mẫu tiếp xúc gần với chúng, thì trường quang gần có liên quan và hình ảnh siêu phân giải có thể trở nên khả thi với thiết lập dựa trên chip. tổng lượng ánh sáng truyền qua vùng mẫu được cảm biến bởi một máy dò, kích hoạt một phần tử ánh sáng tại một thời điểm và do đó quét qua không gian mẫu. Nếu các phần tử ánh sáng có kích thước ở chế độ nanomet và mẫu tiếp xúc gần với chúng, thì trường quang gần có liên quan và hình ảnh siêu phân giải có thể trở nên khả thi với thiết lập dựa trên chip.

Để hiện thực hóa ý tưởng thay thế này, cần phải có một loạt công nghệ tiên tiến. Nguồn sáng có cấu trúc được thực hiện bằng các đi-ốt phát quang (đèn LED) cực nhỏ, được phát triển tại Đại học Công nghệ ở Braunschweig, Đức. Do các đặc tính vượt trội của chúng so với các hệ thống chiếu sáng khác, ví dụ như bóng đèn cổ điển hoặc bộ phát dựa trên halogen, đèn LED đã chinh phục thị trường cho các ứng dụng chiếu sáng chung trong những thập kỷ qua. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, không có dãy đèn LED có cấu trúc nào với các pixel có thể định địa chỉ riêng cho chế độ phụ µm có sẵn trên thị trường. Nhiệm vụ này thuộc trách nhiệm của TU Braunschweig trong khuôn khổ dự án ChipScope. Các dãy đèn LED đầu tiên có kích thước điểm ảnh xuống tới 1 µm đã được các nhà nghiên cứu trình diễn, như được mô tả trong hình. Chúng dựa trên gali nitrit (GaN), một vật liệu bán dẫn thường được sử dụng cho đèn LED xanh lam và trắng. Việc kiểm soát cấu trúc của các đèn LED như vậy ở chế độ dưới µm là vô cùng khó khăn. Nó được tiến hành bằng kỹ thuật in khắc chùm tia điện tử và ảnh, trong đó các cấu trúc trong chất bán dẫn được xác định với độ chính xác cao bằng mặt nạ bóng quang học hoặc chùm điện tử hội tụ.

Là một thành phần khác, máy dò ánh sáng có độ nhạy cao được yêu cầu cho nguyên mẫu kính hiển vi. Tại đây, nhóm của Giáo sư A. Dieguez tại Đại học Barcelona phát triển cái gọi là máy dò tuyết lở đơn photon (SPAD) có thể phát hiện cường độ ánh sáng rất thấp xuống các photon đơn lẻ. Các thử nghiệm đầu tiên với những máy dò này được tích hợp vào nguyên mẫu của kính hiển vi ChipScope đã được tiến hành và cho thấy kết quả đầy hứa hẹn. Ngoài ra, một cách để đưa mẫu vật đến gần nguồn sáng có cấu trúc là rất quan trọng đối với hoạt động của kính hiển vi thích hợp. Một công nghệ đã được thiết lập để hiện thực hóa điều này sử dụng các kênh vi lỏng, trong đó một hệ thống kênh tốt được cấu trúc thành một ma trận polyme. Sử dụng máy bơm có độ chính xác cao, một chất lỏng thể tích siêu nhỏ được dẫn qua hệ thống này và mang mẫu vật đến vị trí mục tiêu.

Các đối tác khác: Medical Univ. của Viên, Đại học Tor Vergata Roma, LMU Munich và FSRM, Thụy Sĩ.

Để biết thêm thông tin: www.chipscope.eu