Jediná molekula jako lampička osvětlující vzorek

Studium rozličných vzorků běžnou optickou mikroskopií naráží na neúprosnou mez rozlišení (plynoucí z vlnové povahy světla) – ohybový (difrakční) limit, jenž omezuje nejmenší vzdálenost dvou bodů, které ještě mohou být odlišeny, na zhruba polovinu vlnové délky použitého světla (viditelné světlo má vlnové délky v rozmezí asi 400 až 780 nm).

Toto omezení je možné obejít u mikroskopu pracujícího v blízkém optickém poli (scanning near-field optical microscope – SNOM), který je variantou jiných skenujících (či správněji řádkujících) mikroskopů (STM – skenující tunelovací mikroskop, AFM – mikroskop atomárních sil aj.). Místo jemného hrotu objíždějícího v malé (nanometrové) vzdálenosti povrch vzorku má tento mikroskop speciální optické vlákno, které je na konci velice zúženo až k otvoru o velikosti zlomku vlnové délky světla. Tímto otvorem je vzorek z malé vzdálenosti osvětlován laserem a sleduje se jeho odezva (fluorescence, transmise...). Rozlišení je dáno především velikostí otvoru na konci vlákna. Teoreticky tedy stačí vyrobit moderní technologií otvor třeba pár desítek nanometrů v průměru a dosáhneme vynikajícího rozlišení. Tak jednoduché to ale není. S klesajícím rozměrem otvoru prudce klesá účinnost průchodu světla (nehledě na různé technické potíže). Tedy další omezení! Chtělo by to ještě jiný trik. Což třeba vzít velmi malý zdroj světla a umístit ho na konec hrotu objíždějícího vzorek? A jaký menší účinný zdroj optického záření lze najít než vhodnou molekulu?

Právě takový experiment nedávno uskutečnil J. Michaelis s kolegy z Univerzity v Kostnici (Nature 405, 325–327, 2000). Využili své zkušenosti se spektroskopií jednotlivých molekul (Vesmír 76, 485, 1997/9) a jako vhodnou lampičku zvolili molekulu terylenu. Jako držadlo použili mikrokrystal p-terpenylu obsahující nepatrnou příměs terylenu (jednu molekulu na 10 milionů molekul krystalu). Z mikronových krystalků byl vybrán jeden s vhodnou fluorescencí právě jedné molekuly terylenu a opatrně přilepen na konec zašpičatěného optického vlákna. Vlákno pak bylo připevněno jako hrot do skenujícího mikroskopu pracujícího za teploty 1,4 K. „Palivem lampičky“ byl laserový paprsek účinně budící fluorescenci molekuly terylenu, jako pokusný vzorek posloužily 25 nm velké hliníkové ostrůvky uspořádané v pravidelné mřížce na skleněné destičce. Jedna molekula osvětlovala postupně vzorek a procházející světlo bylo detegováno lavinovou fotodiodou. První obrázky sice nedosahují rozlišení nejlepších SNOM mikroskopů, ale existuje řada možností zlepšení.

Autoři práce usuzují, že rozlišovací schopnost jejich mikroskopu závisí jen na vzdálenosti svítící molekuly od povrchu vzorku. Proto plánují vyrobit menší krystalky a pokusit se vytřídit ty, v nichž je světlodárná molekula blízko povrchu. Fakt, že blízkost vzorku modifikuje vlastnosti svítící molekuly (která je velmi dobře charakterizována), pak může být využit k získání řady detailních informací o zkoumaném vzorku.

Není pochyb o tom, že rostoucí schopnost badatelů manipulovat s jednotlivými molekulami povede k řadě dalších překvapivých aplikací.