Mikroskopy se superčočkami

Většina mikroskopů používá objektivy složené z čoček, které v podstatě představují zakřivená rozhraní mezi vzduchem a různými skly, resp. jinými materiály o odlišných indexech lomu. Při průchodu světelných paprsků jednotlivými čočkami objektivu se mění směr jejich šíření v souladu se Snellovým zákonem lomu. V určité vzdálenosti za objektivem pak vznikne obraz objektu, z něhož toto záření vychází, přičemž poloha i velikost tohoto obrazu se řídí jednoduchými zákony geometrické optiky.

Jelikož však má světelné záření také vlnovou povahu, dochází při jeho průchodu kruhovými aperturami čoček k difrakci (ohybu) světelných vln, k nimž světelné paprsky náleží, což má za následek jistou neurčitost v určení místa průchodu paprsků obrazovou rovinou. Z tohoto důvodu se bodové objekty zobrazí nikoli jako ideální body, nýbrž jako skvrny konečného rozměru (Airyho disky), jejichž průměr se zvětšuje s klesajícím průměrem apertury objektivu a rostoucí vlnovou délkou světla. Pokud takto zobrazujeme dva blízké body objektu, při jejich určité minimální vzdálenosti jejich Airyho disky splynou a tyto body pak nelze v obraze od sebe rozlišit. Již koncem 19. století ukázali nezávisle na sobě Lord Rayleigh a E. Abbe, že rozlišovací schopnost mikroskopu omezená difrakcí světla je i v případě nejkvalitnějších objektivů s velkými aperturami rovna přibližně polovině vlnové délky použitého světelného záření, tj. cca 200 nm v případě světla fialové barvy.

Po dlouhá léta byla tato difrakční mez (nazývaná také Rayleighovým nebo Abbeho limitem) a byla považována za nepřekonatelné omezení optické mikroskopie. S nástupem laserů umožňujících skenování zobrazovaných objektů bod po bodu a s využitím počítačového zpracování obrazů přestalo být nutné zobrazovat všechny body objektu současně a bylo možné obejít tímto způsobem stav, kdy difrakční mez je skutečnou limitou rozlišovací schopnosti optických mikroskopů.

V posledních zhruba patnácti letech byla vyvinuta řada fascinujících metod fluorescenční mikroskopie s rozlišením dosahujícím hranice 30–50 nm, což bylo dosud možné pouze s mikroskopií elektronovou. Příkladem jsou metody známé jako PALM či STORM, používající speciální fluorescenční proteiny a mnohonásobnou akumulaci údajů o polohách středů řídce rozmístěných Airyho disků, a metoda STED kombinující excitaci fluorescence fokusovaným laserovým paprskem s omezením rozměru zářící stopy stimulovanou emisí. Existuje také metoda periodického osvětlení vzorku kombinovaná s extrapolací fourierovských obrazů a zpětnou rekonstrukcí obrazů s rozlišením dvakrát lepším než předpovídá Rayleighovo a Abbeho kritérium.¹⁾

Alternativní směr vývoje mikroskopů představují mikroskopy s tzv. „superčočkami“, které místo lomu světla využívají zajímavých charakteristik šíření světelných vln v periodicky uspořádaných nanostrukturách. Miniaturní superčočky vyrobené v podobě koncentrických kruhů z plexiskla, nanesených na tenkém zlatém filmu na skleněné podložce s periodou 0,5 μm v radiálním směru, dokáží fokusovat záření o vlnové délce 515 nm do stopy o průměru 70 nm.²⁾ Nevýhodou superčoček zhotovovaných v podobě nanostruktur na kovových filmech je však to, že jejich ohniska se nacházejí v zóně tzv. blízkého pole čili ve vzdálenosti od čočky kratší, než je vlnová délka světla.

N. I. Zheludev se spolupracovníky (Centre for Photonic Metamaterials, University of Southampton, UK) nedávno publikoval práci demonstrující možnost vyrobit superčočku s ohniskem vzdáleným více než desetinásobek vlnové délky (10,3 μm). Jde opět o sérii koncentrických kroužků, tentokrát však vypálených pomocí fokusovaného iontového svazku přímo do zlaté fólie tloušťky 100 nanometrů. Vypálené proužky jsou dokonale transparentní a jejich šířka a průměr jsou zvoleny tak, aby byla splněna podmínka konstruktivní interference procházejích světelných vln. To vede k jejich fokusaci do ohniska o průměru 185 nm při vlnové délce světla 640 nm. Touto čočkou se jim při zobrazování testovaných objektů podařilo dosáhnout rozlišovací schopnosti lepší než 100 nm.³⁾

Reálná použitelnost mikroskopů se superčočkami je zatím daleko od praktických aplikací. S uplatněním konfokálního mikroskopu, který patentoval Marvin Minsky již v roce 1957, však nebyla výchozí situace o mnoho lepší. Dnes patří konfokální mikroskopy k nepostradatelnému vybavení moderních laboratoří v mnoha vědních oborech. Jistý optimismus je proto přípustný i v případě budoucnosti mikroskopů se superčočkami.