Spektroskopie jednotlivých molekul v blízkém optickém poli

Je obecně známo, že optický mikroskop má jednoznačně určenu hranici nejmenších pozorovatelných detailů jako polovinu vlnové délky záření použitého k zobrazení. Mluvíme o rozptylovém omezení. Jeho hodnota činí 0,2 až 0,4 mikrometru pro viditelné světlo. V nedávné době se však podařilo rozptylový limit obejít neobyčejně důmyslným zařízením, tzv. rastrovacím optickým mikroskopem blízkého pole (scanning near-field optical microscope - SNOM). Tento mikroskop patří do rodiny moderních rastrovacích mikroskopů, jako jsou rastrovací tunelovací mikroskop (STM; za něj získali Binning a Rohler Nobelovu cenu v roce 1982) nebo mikroskop atomárních sil (AFM), které jsou všechny založeny na pohybu velmi jemné sondy v těsné blízkosti povrchu vzorku (pomocí piezoelektrických posuvů). Sonda zde vlastně svým pohybem obkresluje povrch vzorku, pro kontrolu její vzdálenosti od povrchu využívají jednotlivé typy mikroskopů různé druhy interakce sonda-vzorek. Tyto mikroskopy dnes umožňují pozorovat jednotlivé atomy, popřípadě s nimi i manipulovat.

SNOM musí osvětlovat vzorek ze vzdálenosti menší, než je vlnová délka použitého světla, a to optickým vláknem zakončeným otvorem opět menším než vlnová délka (velikost otvoru určuje maximální možné rozlišení, obvykle má průměr 0,05 - 0,15 mikrometru). Detegovat pak můžeme světlo prošlé vzorkem, rozptýlené či sledovat fluorescenci vyvolanou osvětlením v blízkém poli (pojem blízké pole označuje elektromagnetické pole - zde světlo - ve vzdálenosti od zdroje a v šířce menší, než je vlnová délka vlnění, kde se ještě neuplatní rozptyl). A toto je právě největší výhoda mikroskopu SNOM. Dává nejenom obraz vzorku, ale v každém bodě zároveň umožňuje měřit různá optická spektra nesoucí v sobě velké množství dalších informací, např. o energetické struktuře a vzájemném ovlivňování přítomných molekul.

V průběhu roku 1994 se objevily zprávy o zobrazení jednotlivých molekul mikroskopem SNOM a později měření fluorescenčních excitačních spekter molekul pentacenu v krystalu p-terpenylu (Physical Review B 73, 2764, 1994). Jde o první kombinaci dvou metod: spektroskopie jednotlivých molekul (single molecule spectroscopy) a mikroskopie SNOM.

Doposud, již několik let, se prováděla spektroskopie jednotlivých molekul na několika málo dobře definovaných materiálech - organických molekulách umístěných velmi řídce v krystalické matrici - tak, že se molekuly budily v malém objemu a na takové frekvenci, aby budící záření absorbovala vždy nejvýše jedna molekula vzorku.

Nyní tedy existuje fantastická možnost posvítit si na jednu molekulu a sledovat její individuální chování a interakce s okolím bez rušivého středování vyplývajícího v klasické spektroskopii z účasti velkého počtu molekul různě se projevujících na ději. Pro optickou spektroskopii konce 20. století se tak otvírají netušené možnosti.