با قراردادن لیزرهای در ابعاد نانو در یک سلول زیستی می‌توان به تصاویر اپتیکی با وضوح بالا دست یابد که کوچک‌تر از طول موج نور آن لیزرهاست.

وضوح تصاویری که با یک میکروسکوپ نوری استاندارد گرفته می‌شود معمولاً به حدود یک طول‌موج نور محدود می‌شود. اما اگر منبع نوری کوچک‌‌تر از آن طول موج باشد چه اتفاقی می‌افتد؟ اکنون پژوهش‌گران موفق شده‌اند تا تکنیکی را به نمایش بگذارند که می‌تواند تصاویری را از نور گسیل‌شده توسط ذرات میکروسکوپی تولید کند که به عنوان لیزرهای کوچک عمل می‌کنند. به گفته‌ی این محققان، با جاسازی تعداد زیادی از این گسیل‌کننده‌ها در یک نمونه همچون یک سلول زیستی، امکان این وجود خواهد داشت تا تصویری با وضوح قابل‌مقایسه با اندازه‌ی آن ذرات ساخت که کوچک‌تر از یک طول‌ موج است. این روش بویژه توانسته در تصویربرداری عمیق از بافت‌های زیستی مفید باشد.

پدیده‌ی پراش به این معنی است که اگر دو منبع نوری نزدیک‌تر از حدود نصف طول موج نور باشند، نمی‌توان نور آمده از آن دو منبع را از هم تشخیص داد. دست‌یافتن به وضوح نوریِ کمتر از طول موج نور، حدِ پراش را می‌کوبد. برای نور مرئی این یعنی چند صدنانومتر.

فناوری‌های مختلف تصویربرداری به جهت کوبیدن حد پراش قبلاً وجود داشته‌اند. یکی از آن‌ها، میکروسکوپ کانفوکال لیزری است که امواج نوری را دست‌خوش تغییر می‌کند تا مثلاً یک نمونه‌ی بافت زیستی، یک نقطه‌ی زیرطول موج در یک زمان را روشن کند؛ که باعث القای گسیل فلورسانس به رنگ‌دانه‌ای می‌شود که قبلا به بافت اضافه شده است. پویش سلول به این روش تصویری را با وضوح زیرطول موج بدست می‌دهد اما گسیل ناخواسته از اجزای سلول بغیر از رنگ‌دانه حساسیت این روش را کاهش داده و کارایی آن را برای نمونه‌های ضخیم، غیرموثر می‌سازد.

رهیافت جدیدی که توسط سوئوک هیون (Seok Hyun Yun) و همکارانش از بیمارستان عمومی ماساچوست و مدرسه‌ی پزشکی در کمبریج گزارش شده به این محدودیت‌ها غلبه کرده است. این محققان لیزرهای کوچکی را به شکل میله‌های کوتاه (نانوسیم‌ها) از ترکیبی بلوری که پروسکایت یدید نامیده می‌شود و تنها ۳-۷ میکرومتر درازا و ۳۰۰-۵۰۰ نانومتر پهنا دارد ساخته‌اند. این ماده همچون یک لیزر نیم‌رسانا عمل کرده (اینجا را ببینید) و می‌تواند با نور سبزرنگ برای تحریک گسیل لیزری در طول موج ۷۷۵ نانومتر پمپاژ شود.

یون و همکارانش این نانوسیم‌ها را در یک سوسپانسیون رقیق بر روی اسلاید شیشه‌ای قرار داده‌اند. آن‌ها با استفاده از روبش، با یک پرتو با پهنای ۵/۲ میکرومتر، مشاهده کرده‌اند که با وقتی پروب نانوسیم‌ها را تک‌تک قطع می‌کند، گسیل ناگهان روشن و خاموش می‌شود. نور گسیل شده از یک تک‌طول موج بوده و وقتی شدت پرتوی پروب، نانوسیم‌ها را بالاتر از یک آستانه‌ی معینِ پمپینگ قطع می‌کند، ناگهان به حالت روشن سوئیچ می‌کند. این پژوهش‌گران نتیجه گرفته‌اند که گسیل لیزری واقعی از نانوسیم‌ها را دیده‌اند.

در اصل موقعیت پرتوی پروب می‌تواند با دقت ده‌ها نانومتر کنترل شود. به گفته‌ی این محققان اگر لبه‌های نانوسیم‌ها را با دقت یکسان و به حد کافی پایین‌تر از حد پراش در جای خود نگه داشته شوند، می‌توان این کار را انجام داد. به بیان این پژوهش‌گران امکان این وجود خواهد داشت تا ذرات لیزری را به پهنای ۵۰ نانومتر از هم تفکیک کرد.

این محققان برای استفاده از این تکنیک برای تصویربرداری، ساختارهای ویژه‌ای را درون یک نمونه با این نانوسیم‌های لیزری (یا حتی نانوذرات کوچک‌تر، همچون نقاط کوانتومی) «رنگ‌آمیزی» خواهند کرد آن‌طور که این کار در تصاویر قابل تشخیص باشد. مثلاً چنان ذراتی با چسبیدن به اندامک‌ یا پروتئین‌ها در داخل سلول‌ها، به این ساختارها این امکان را خواهد داد تا با وضوح ۱۰ نانومتر قابل پیگیری باشند. به گفته‌ی یون: «تصور می‌کنم ذرات لیزری در حیوانات آزمایشگاهی و به منظور تحقیقات بیوزیستی قابل تزریق، قابل کاشت یا حتی قابل بلعیدن باشد.»

این فناوری جدید بایستی بویژه برای تصویربرداری عمیق در داخل نمونه‌های ضخیم مفید باشد چون نور لیزری شدید و تک‌طول‌موج می‌تواند به راحتی از فلورسانسِ پخشی ناشی از ماده‌ی زمینه قابل تشخیص باشد. به بیان یون: «هدف ما این است که پتانسیل کلی این فناوری را در تصویربرداری عمیق نشان دهیم.»

مالت گدر ( Malte Gather) از دانشگاه سنت اندروز در انگلستان می‌گوید: «این یک مفهوم هوشمندانه است». اما وی اضافه می‌کند که تاکنون این تنها یک اثبات اصل اولیه بوده است – وضوحِ نشان داده شده بهتر از میکروسکوپ‌های نوری سنتی بروز نیست. او با یون و همکارانش موافق است که ذرات لیزری کوچک برای دست‌سابی به وضوح بالایی از تصاویر نیاز خواهند بود. به بیان گدر، برای دست‌یابی به یک تصویر جزئی از یک نمونه‌ی پیچیده، «بایستی آن را با میلیون‌ها لیزر رنگ کرد» که نیازمند این خواهد بود که بسیار کوچک نیز باشند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.      

درباره‌ی نویسنده:

فیلیپ بال نویسنده‌ا‌ی علمی از لندن است.

منبع:

Tiny Lasers Could Create High-Resolution Images