Kính hiển vi thông thường cung cấp thông tin cần thiết về các mẫu ở hai chiều – mặt phẳng của phiến kính hiển vi. Nhưng phẳng không phải là tất cả. Trong nhiều trường hợp, thông tin về đối tượng ở chiều thứ ba — trục vuông góc với phiến kính hiển vi — cũng quan trọng không kém để đo lường.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã tìm ra cách chuyển đổi một vấn đề ảnh hưởng đến gần như tất cả các kính hiển vi quang học – quang sai thấu kính, gây ra sự hội tụ ánh sáng không hoàn hảo – thành một giải pháp cho phép kính hiển vi thông thường đo chính xác vị trí của các điểm sáng trên một mẫu trong cả ba chiều.

Mặc dù các phương pháp khác đã cho phép kính hiển vi cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc ba chiều, nhưng những chiến lược này có xu hướng tốn kém hoặc đòi hỏi kiến ​​thức chuyên môn. Trong một cách tiếp cận trước đây để đo các vị trí trong chiều thứ ba, các nhà nghiên cứu đã thay đổi quang học của kính hiển vi, chẳng hạn bằng cách bổ sung thêm độ loạn thị cho các thấu kính. Những thay đổi như vậy thường yêu cầu tái thiết kế và hiệu chuẩn lại kính hiển vi quang học sau khi rời khỏi nhà máy.

Phương pháp đo lường mới cũng cho phép kính hiển vi định vị chính xác hơn vị trí của các vật thể. Kính hiển vi quang học thường phân giải vị trí của các vật thể thành một vùng không nhỏ hơn vài trăm nanomet (một phần tỷ mét), giới hạn được đặt bởi bước sóng của ánh sáng tạo ra hình ảnh và khả năng phân giải của thấu kính kính hiển vi. Với kỹ thuật mới, kính hiển vi thông thường có thể xác định chính xác vị trí của các hạt phát sáng riêng lẻ trong một vùng nhỏ bằng một phần trăm.

Các nhà nghiên cứu của NIST Samuel Stavis, Craig Copeland và các đồng nghiệp của họ đã mô tả công việc của họ trong số ra ngày 24 tháng 6 của  tạp chí Nature Communications .

Phương pháp này dựa trên sự phân tích cẩn thận hình ảnh của các hạt huỳnh quang mà các nhà nghiên cứu đặt trên các tấm silicon phẳng để hiệu chuẩn kính hiển vi của họ. Do quang sai của thấu kính, khi kính hiển vi di chuyển lên xuống theo từng bước cụ thể dọc theo trục thẳng đứng — chiều thứ ba — hình ảnh xuất hiện bị lệch và hình dạng cũng như vị trí của các hạt dường như thay đổi. Các nhà nghiên cứu của NIST phát hiện ra rằng quang sai có thể tạo ra các biến dạng lớn trong hình ảnh ngay cả khi kính hiển vi chỉ di chuyển vài micromet (một phần triệu mét) trong mặt phẳng bên hoặc vài chục nanomet theo chiều dọc.

Phân tích cho phép các nhà nghiên cứu lập mô hình chính xác cách quang sai của thấu kính thay đổi hình thức và vị trí rõ ràng của các hạt huỳnh quang với những thay đổi ở vị trí thẳng đứng. Bằng cách hiệu chỉnh cẩn thận hình dạng đang thay đổi và vị trí biểu kiến ​​của một hạt theo vị trí thẳng đứng của nó, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng kính hiển vi để đo chính xác các vị trí trong cả ba chiều.

Stavis cho biết: “Ngược lại, quang sai của ống kính hạn chế độ chính xác ở hai chiều và cho phép độ chính xác ở ba chiều . “ Bằng cách này, nghiên cứu của chúng tôi thay đổi quan điểm về kích thước của hình ảnh kính hiển vi quang học và tiết lộ tiềm năng của kính hiển vi thông thường để thực hiện các phép đo phi thường.”

Stavis lưu ý rằng việc sử dụng thông tin tiềm ẩn do quang sai thấu kính cung cấp sẽ bổ sung cho các phương pháp khó tiếp cận hơn mà các nhà hiển vi học hiện đang sử dụng để thực hiện các phép đo ở chiều thứ ba. Phương pháp mới có khả năng mở rộng tính khả dụng của các phép đo như vậy.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm phương pháp hiệu chỉnh của họ bằng cách sử dụng kính hiển vi để chụp ảnh một chòm sao các hạt huỳnh quang lắng đọng ngẫu nhiên trên một bánh răng silicon cực nhỏ quay theo cả ba chiều. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình của họ đã hiệu chỉnh chính xác quang sai của thấu kính, cho phép kính hiển vi cung cấp thông tin ba chiều đầy đủ về vị trí của các hạt.

Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể mở rộng các phép đo vị trí của họ để ghi lại toàn bộ phạm vi chuyển động của bánh răng, bao gồm cả chuyển động quay, lắc lư và lắc lư của nó, hoàn thành việc trích xuất thông tin không gian từ hệ thống. Các phép đo mới này đã làm nổi bật hậu quả của các khoảng trống ở kích thước nano giữa các bộ phận của hệ thống vi mô, những khoảng cách này khác nhau do sự không hoàn hảo trong quá trình chế tạo hệ thống. Giống như ổ trục bị lỏng trên bánh xe khiến bánh xe bị lắc lư, nghiên cứu cho thấy các khoảng cách ở kích thước nano giữa các bộ phận không chỉ làm giảm độ chính xác của chuyển động quay có chủ ý mà còn gây ra sự lắc lư, lắc lư và thậm chí uốn cong không chủ ý của bánh răng, tất cả những điều này có thể xảy ra. hạn chế hiệu suất và độ tin cậy của nó.

Copeland cho biết các phòng thí nghiệm kính hiển vi có thể dễ dàng thực hiện phương pháp mới. Stavis nói thêm : “ Người dùng chỉ cần một mẫu tiêu chuẩn để đo lường tác động của chúng và hiệu chuẩn để sử dụng dữ liệu kết quả . Ngoài các hạt huỳnh quang hoặc một tiêu chuẩn tương tự đã tồn tại hoặc đang phát triển, không cần thiết bị bổ sung nào. Bài báo mới bao gồm phần mềm trình diễn hướng dẫn các nhà nghiên cứu cách áp dụng hiệu chuẩn.

Bài viết: Craig R. Copeland, Craig D. McGray, B. Robert Ilic, Jon Geist và Samuel M. Stavis. Kính hiển vi định vị chính xác bằng hiệu chuẩn quang sai nội tại. Truyền thông tự nhiên. Ngày 24 tháng 6 năm 2021. DOI:  10.1038/s41467-021-23419-y

Để biết thêm thông tin: www.nist.gov