Cámara para el nanocosmos

Dresde investigadores desarrollan un método óptico de uso múltiple para la observación de los procesos biológicos física, química o en la nanoescala.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

IMAGEN: El estudio de una muestra de capa fina conocida usando la novela nanoscopio. pulsos de láser excita los electrones de las rayas brillantes, por lo que la muestra de otra manera transparente en estos lugares se convierte en más reflexive.view

Crédito: Universidad Técnica de Dresde

Para obtener una visión aún más en el más pequeño de los mundos, los umbrales de la microscopía deben ampliarse aún más. Los científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad Técnica de Dresde, en cooperación con la Freie Universität & # 228; t Berlín, han tenido éxito en la combinación de dos técnicas de medición establecidos por primera vez: campo cercano microscopía óptica y ultra- espectroscopía rápido. La tecnología asistida por ordenador desarrollado especialmente para este fin combina las ventajas de ambos métodos y suprime el ruido no deseado. Esto hace que la filmación de alta precisión de los procesos dinámicos en la escala nanométrica posible. Los resultados fueron publicados recientemente en la investigación journalScientific Informes (DOI: 10.1038 / srep12582).

Muchos procesos importantes pero complejas en las ciencias de la naturaleza y de la vida, por ejemplo, la fotosíntesis o la superconductividad de alta temperatura, aún no se han entendido. Por una parte, esto se debe al hecho de que tales procesos tienen lugar en una escala de una millonésima parte de un milímetro (nanómetros) y por lo tanto no pueden ser observadas por microscopio óptico de formación de imágenes convencional. Por otro lado, los investigadores deben ser capaces de observar precisamente cambios muy rápidos en las fases individuales de entender mejor la dinámica de alta complejidad. Por tanto, el desarrollo de las tecnologías espaciales y temporales de alta resolución ha sido promovida por décadas.

La nueva cámara de Dresden combina las ventajas de dos mundos: la microscopía y espectroscopía ultrarrápida. Permite mediciones ópticas alteradas de cambios muy pequeños y dinámicos en los procesos biológicos, físicos y químicos o. El instrumento es compacto en tamaño y se puede utilizar para estudios espectroscópicos en una amplia zona del espectro electromagnético. incrementos de tiempo de unos pocos quadrillionths de un segundo (femtosegundos) hasta el segundo rango, pueden ser seleccionados para las imágenes individuales. "Esto hace que nuestro nanoscopio adecuado para la visualización de procesos físicos ultra rápida, así como para el proceso biológico, que son a menudo muy lento", dice el Dr. Michael HZDR Gensch.

La combinación de dos métodos garantiza una alta resolución espacial y temporal

El nanoscopio se basa en el desarrollo de la microscopía de campo cercano, en el que la luz del láser se irradia en una punta de metal ultra delgado. Esto crea muy liado luz - un centenar de veces más pequeño que la longitud de onda de la luz, que de otro modo representa el límite de la óptica "normales" con lentes y espejos. "En principio, podemos utilizar todo el espectro de longitudes de onda de la microscopía de campo cercano, desde el ultravioleta hasta el rango de los terahercios," dice el Dr. Susanne Kehr de la Universidad Técnica de Dresde. "La luz enfocada suministra energía a la muestra, creando una interacción especial entre el punto y la muestra en lo que se conoce como el campo cercano. Mediante la observación de la porción retrodispersada de la luz láser, se puede conseguir una resolución espacial del orden de la magnitud de campo cercano, es decir, en el intervalo de nanómetros. "Esta tecnología, conocida como SNOM (microscopía óptica de barrido de campo cercano ), por lo general sólo se utiliza para obtener imágenes estáticas condiciones.

El uso de la espectroscopia ultra-rápido es la herramienta fundamental, por el contrario, lo que permite a los científicos estudiar los procesos dinámicos en escalas de tiempo cortas y con una sensibilidad extrema. La resolución espacial, hasta ahora, ha limitado al intervalo de micrómetros sin embargo. El principio en tales experimentos de bomba-sonda que funcionan, por ejemplo, con luz, presión o los impulsos de campo eléctrico es la siguiente: mientras que un primer impulso excita la muestra bajo estudio, un segundo pulso controla el cambio de la muestra. Si el tiempo entre ellos es muy variada, las instantáneas se pueden tomar en diferentes momentos, y una película pueden ser ensamblados. Una corrección inteligente de los errores de medición conduce a la alta sensibilidad del procedimiento espectroscópico. Activación por un pulso de excitación significa un tipo de perturbación para el sistema entero de la muestra, que debe ser filtrada de modo que el ruido o el "fondo" es eliminado. Esto se logra mediante el sondeo de la muestra no perturbada con un segundo impulso de referencia directamente antes de la excitación. Esta tecnología particular no se podría combinar con campo cercano microscopía óptica hasta ahora. Por primera vez, los equipos dirigidos por los dos físicos Dresde han conseguido combinar todas las ventajas de ambos métodos en su nanoscopio.

"Hemos desarrollado un software con una tecnología especial de demodulación con la que - 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 espectroscopia ultrarrápida común - ahora también podemos medir los cambios dinámicos en la muestra con alta sensibilidad ", explica Kehr. El método electrónico inteligente permite al Nanoscope para grabar exclusivamente sólo los cambios que se producen en realidad en las propiedades de la muestra debido a la excitación. Aunque otros grupos de investigación han informado recientemente buena resolución temporal con sus nanoscopes, no podían, sin embargo, obtener este modo de corrección importante. Una ventaja adicional a la solución de Dresden es que puede ser fácilmente integrado en microscopios de campo cercano existentes.

Universal en todos los aspectos

"Con una cobertura considerable longitud de onda de nuestra nanoscopio, procesos dinámicos pueden ser estudiados con las longitudes de onda más adecuada para el proceso de estudio específico. Este es un paso importante en la comprensión de estos procesos. Nuestros colegas de la Freie Universität & # 228; t Berlín tener, por ejemplo, el ambicioso sueño de seguimiento de los cambios estructurales durante el fotociclo de una proteína de membrana individual en wavelengthes específicas en el espectro infrarrojo, "dice Gensch. Junto con su colega TU, Susanne Kehr, demostró el nuevo método en un sistema de muestra conocida, una capa semiconductora de silicio y germanio. "Si hubiéramos usado una muestra desconocida para la demostración, no hubiéramos estado en la posición de interpretar correctamente la funcionalidad de nuestro enfoque", subraya Kehr.

El nanoscopio Dresden es universalmente adaptable a las respectivas preguntas científicas. Las longitudes de onda de pulso sonda pueden, en principio, accesible desde el rango de terahercios baja a la gama ultravioleta. La muestra puede ser estimulado con láser, presión, campo eléctrico o pulsos del campo magnético. El principio se puso a prueba en el HZDR en un láser típico de laboratorio, así como en la FELBE láser de electrones libres. Las primeras pruebas en el nuevo TELBE fuente de terahercios, que proporciona pulsos de campo eléctrico y magnético extremadamente cortos para la excitación, están en preparación. "En el futuro, vamos a ver cómo no sólo se produce rápidamente un proceso, sino que también podemos localizar exactamente donde mejor se lleva a cabo en la muestra. Esto es especialmente importante para nuestras instalaciones TELBE, que estará en funcionamiento el próximo año ", explica Michael Gensch, responsable del proyecto en el TELBE HZDR.