Para obtener una perspectiva aún más profunda del mundo más pequeño, los umbrales de la microscopía deben ampliarse aún más. Los científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR y el TU Dresden, en cooperación con la Freie Universität Berlin, han logradocombinando dos técnicas de medición establecidas por primera vez: microscopía óptica de campo cercano y espectroscopía ultrarrápida. La tecnología asistida por computadora desarrollada especialmente para este propósito combina las ventajas de ambos métodos y suprime el ruido no deseado. Esto hace que la filmación de procesos dinámicos sea muy precisala escala nanométrica posible. Los resultados se publicaron recientemente en la revista de investigación Scientific Reports DOI: 10.1038 / srep12582.
Muchos procesos importantes pero complejos en las ciencias naturales y de la vida, como, por ejemplo, la fotosíntesis o la superconductividad a alta temperatura, aún no se han entendido. Por un lado, esto se debe a que dichos procesos tienen lugar en una escala de un millónde milímetro nanómetro y, por lo tanto, no puede observarse mediante imágenes microscópicas ópticas convencionales. Por otro lado, los investigadores deben ser capaces de observar con precisión cambios muy rápidos en etapas individuales para comprender mejor la dinámica altamente compleja. El desarrollo de alta resolución temporaly, por lo tanto, las tecnologías espaciales se han promovido durante décadas.
La nueva cámara de Dresden combina las ventajas de dos mundos: microscopía y espectroscopía ultrarrápida. Permite mediciones ópticas inalteradas de cambios dinámicos extremadamente pequeños en procesos biológicos, químicos o físicos. El instrumento es de tamaño compacto y puede usarsepara estudios espectroscópicos en una gran área del espectro electromagnético. Se pueden seleccionar incrementos de tiempo de unos cuatrillonésimos de segundo femtosegundos hasta el segundo rango para imágenes individuales ". Esto hace que nuestro nanoscopio sea adecuado para ver procesos físicos ultrarrápidos comoasí como para el proceso biológico, que a menudo son muy lentos ", dice el Dr. Michael Gensch del HZDR.
La combinación de dos métodos garantiza una alta resolución espacial y temporal
El nanoscopio se basa en el desarrollo posterior de la microscopía de campo cercano, en la que la luz láser se irradia sobre un punto metálico ultrafino. Esto crea una luz altamente agrupada, cien veces más pequeña que la longitud de onda de la luz, que de otro modo representael límite de la óptica "normal" con lentes y espejos. "En principio, podemos usar todo el espectro de longitud de onda de la microscopía de campo cercano, desde ultravioleta hasta el rango de terahercios", dice la Dra. Susanne Kehr de la TU Dresden.la luz entrega energía a la muestra, creando una interacción especial entre el punto y la muestra en lo que se conoce como campo cercano. Al observar la porción dispersada hacia atrás de la luz láser, se puede lograr una resolución espacial en el orden delmagnitud de campo cercano, es decir, en el rango de nanómetros ". Esta tecnología, conocida como SNOM Microscopía óptica de escaneo de campo cercano, generalmente solo se utiliza para obtener imágenes de condiciones estáticas.
Por otra parte, el uso de la espectroscopía ultrarrápida es la herramienta crucial que permite a los científicos estudiar procesos dinámicos en escalas de tiempo cortas y con una sensibilidad extrema. Sin embargo, la resolución espacial hasta ahora se había limitado al rango de micrómetros. El principio entales experimentos de bomba-sonda que funcionan, por ejemplo, con pulsos de luz, presión o campo eléctrico son los siguientes: mientras un primer pulso excita la muestra en estudio, un segundo pulso monitorea el cambio en la muestra. Si el tiempo entre ellos varía, se pueden tomar instantáneas en diferentes momentos y se puede armar una película. Una corrección inteligente de los errores de medición conduce a la alta sensibilidad del procedimiento espectroscópico. La activación por un pulso de excitación significa un tipo de perturbación para todo el sistema de muestra, quenecesita ser filtrado para que se elimine el ruido o el "fondo". Esto se logra sondeando la muestra no perturbada con un segundo pulso de referencia directamente antes de la excitación.La tecnología ticular no podía combinarse con la microscopía óptica de campo cercano hasta ahora.Por primera vez, los equipos liderados por los dos físicos de Dresde han logrado combinar todas las ventajas de ambos métodos en su nanoscopio.
"Hemos desarrollado un software con una tecnología de demodulación especial con la cual, además de la excelente resolución de la microscopía óptica de campo cercano que es al menos tres órdenes de magnitud mejor que la resolución de la espectroscopía ultrarrápida común, podemosahora también mide los cambios dinámicos en la muestra con alta sensibilidad ", explica Kehr. El método electrónico inteligente permite que el nanoscopio registre exclusivamente los cambios que realmente ocurren en las propiedades de la muestra debido a la excitación. Aunque otros grupos de investigación han informado recientemente sobre un buen tiemporesolución con sus nanoscopios, sin embargo, no pudieron obtener este importante modo de corrección. Una ventaja adicional de la solución de Dresden es que puede integrarse fácilmente en los microscopios de campo cercano existentes.
Universal en todos los aspectos
"Con la considerable cobertura de longitud de onda de nuestro nanoscopio, los procesos dinámicos pueden estudiarse con las longitudes de onda más adecuadas para el proceso específico en estudio. Este es un paso importante para comprender estos procesos. Nuestros colegas de la Freie Universität Berlin tienen, por ejemplo, el"El sueño ambicioso de rastrear cambios estructurales durante el fotociclo de una proteína de membrana individual en longitudes de onda específicas en el espectro infrarrojo", dice Gensch. Junto con su colega TU, Susanne Kehr, demostró el nuevo método en un sistema de muestra conocido, un semiconductorcapa hecha de silicio y germanio. "Si hubiéramos usado una muestra desconocida para la demostración, no habríamos estado en condiciones de interpretar correctamente la funcionalidad de nuestro enfoque", enfatiza Kehr.
El nanoscopio de Dresden es universalmente adaptable a las preguntas científicas respectivas. Las longitudes de onda del pulso de la sonda pueden, en principio, alcanzar desde el rango bajo de terahercios hasta el rango ultravioleta. La muestra puede estimularse con pulsos de láser, presión, campo eléctrico o campo magnético.El principio se probó en el HZDR en un láser de laboratorio típico, así como en el láser de electrón libre FELBE. Se están preparando las primeras pruebas en la nueva fuente de terahercios TELBE, que proporciona impulsos de campo eléctrico y magnético extremadamente cortos para la excitación ".En el futuro, no solo veremos qué tan rápido ocurre un proceso, sino que también podemos localizar mejor dónde se lleva a cabo exactamente en la muestra. Esto es especialmente importante para nuestra instalación de TELBE, que estará en funcionamiento el próximo año ", explica Michael Gensch, jefe del proyecto TELBE en el HZDR.
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Materiales proporcionado por Technische Universitaet Dresden . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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