Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метаматериал, повышающий разрешение световой микроскопии с 200 до 40 нанометров. Исследователи совместили технологию с алгоритмической обработкой в MATLAB.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/12f/5ef/83f/12f5ef83fd3c13d48ce00cd492802718.png)
Несмотря на все модификации, предел разрешения световых микроскопов составляет 200 нанометров. С таким разрешением исследователи наблюдают за клетками, но изучение внутриклеточного пространства невозможно. Подобная визуализация возможна благодаря использованию других методов, например, электронной микроскопии. Но они дороги в обслуживании и производстве. Кроме того, такие методы не пригодны для наблюдения за живыми организмами, поскольку убивают их в процессе получения визуализации.
Исследователи Калифорнийского университета добавили к оптическому микроскопу прослойку из гиперболического метаматериала (НММ) и повысили разрешение до 40 нанометров, не причиняя вреда микробам.
Прослойка состоит из предметного стекла с напылением из чередующихся слоёв серебра и кварцевого стекла. Метаматериал сокращает длину волн и рассеивает проходящий через него свет, образуя серию случайных пятнистых световых узоров. После специалист монтирует на стекло исследуемый образец.
![(а). Изочастотная кривая воздуха, идеальный НММ по теории эффективной среды (ЕМТ) и практический НММ состоят из слоистых структур Ag и SiO2 (Bloch) на волне 488 нм. Волновой вектор kx и kz нормирован на волновой вектор k0 в воздухе. Допустимая k-пропускная способность выделена серым (воздух) и оранжевым (HMM). (b). Примерные спекл-структуры из различных материальных систем. Слева спекл без использования НММ (серая полоса на рисунке а), справа с НММ (бежевая полоса на рисунке а). Масштабная шкала 400 нанометров. (с) Подложка с покрытием из HMM проецирует объекты с ультратонкой структурой на предметы, лежащие на её внешней поверхности. (d) Схема неоднородной границы раздела между распыленным Ag и SiO2 (а). Изочастотная кривая воздуха, идеальный НММ по теории эффективной среды (ЕМТ) и практический НММ состоят из слоистых структур Ag и SiO2 (Bloch) на волне 488 нм. Волновой вектор kx и kz нормирован на волновой вектор k0 в воздухе. Допустимая k-пропускная способность выделена серым (воздух) и оранжевым (HMM). (b). Примерные спекл-структуры из различных материальных систем. Слева спекл без использования НММ (серая полоса на рисунке а), справа с НММ (бежевая полоса на рисунке а). Масштабная шкала 400 нанометров. (с) Подложка с покрытием из HMM проецирует объекты с ультратонкой структурой на предметы, лежащие на её внешней поверхности. (d) Схема неоднородной границы раздела между распыленным Ag и SiO2](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/250/caa/2d7/250caa2d786c0c2e51e0899b9fc6e718.png)
В ходе работы исследователи получили множество отснятых кадров, которые алгоритм реконструкции собрал в один снимок с высоким разрешением. Специалисты вели обработку реконструкций изображений в MATLAB.
Для получения изображений исследователи используют камеру sCMOS. Время экспозиции составило 200 мс с частотой кадров 1 Гц. Реконструкция изображения 100х100 пикселей заняла 10 минут на настольном компьютере с видеокартой GTX 1080Ti и процессором i7-8700k. Реконструкция изображения 200х200 пикселей занимает до 30 минут. Каждое итоговое изображение содержит 80—500 подкадров.
![Художественная визуализация новой технологии микроскопии сверхвысокого разрешения. Живые клетки (красные) помещены на предметное стекло, покрытое рассеивающим свет материалом. Структурированный свет в наномасштабе (синий) генерируется метаматериалом и освещает клетки Художественная визуализация новой технологии микроскопии сверхвысокого разрешения. Живые клетки (красные) помещены на предметное стекло, покрытое рассеивающим свет материалом. Структурированный свет в наномасштабе (синий) генерируется метаматериалом и освещает клетки](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ad3/55b/f84/ad355bf84c0356ce94d4410f3bf23c85.png)
Исследователи проверили технологию на инвертированном микроскопе. У микроскопов прямого типа объектив находится над предметным стеклом с расположенным внизу осветительным прибором. У инвертированных микроскопов наоборот — объектив внизу, подсветка вверху. С их помощью исследователи изучают громоздкие объекты, например, мух или кору деревьев.
Используя новую технологию, учёные визуализировали микрофиламенты (нити белка актина) диаметром 6—8 нанометров в окрашенных флуоресцентным маркером клетках и крошечные флуоресцентные молекулы, находящиеся на расстоянии 40—80 нанометров друг от друга. В итоге исследователи получили изображения с высоким разрешением в двумерном пространстве.
![Сравнение изображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены микрофиламенты маркированных клеток Сравнение изображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены микрофиламенты маркированных клеток](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5fa/c6b/e7e/5fac6be7e13bf8bf181e6aaf492dc02c.png)
![Сравнение изображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены флуоресцентные молекулы Сравнение изображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены флуоресцентные молекулы](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/49c/8ed/f25/49c8edf256a3bc2d50fc445c3c0d7249.jpeg)
В прошлом году эта же группа исследователей применила метаматериал при флуоресцентной микроскопии и увеличила разрешение с 10 до 2,4 нанометров с сохранением цвета. В дальнейшем группа планирует объединить старое и новое исследования чтобы создать технологию для получения трёхмерных визуализаций живых клеток.
Учёные утверждают, что использование метаматериала ускорит и удешевит дальнейшие исследования. Метаматериал прост в установке и не требует формирования особых условий и освещения в ходе работы.
Материалы исследования опубликованы в статье «Metamaterial assisted illumination nanoscopy via random super-resolution speckles»в журнале Nature Doi.org/10.1038/s41467-021-21835-8
AntonSor
Возможно, это прорыв.