Оптическая микроскопия вирусов не за горами

С тех пор, как в 1654 году Антон ван Левенгук впервые применил изобретенный им микроскоп для наблюдений, перед нами открылся невиданный ранее микромир. Каждый год минимальный размер наблюдаемых объектов сокращался, пока в конечном итоге был достигнут так называемый дифракционный предел - разрешение традиционных оптических микроскопов принципиально недостаточно для изображения объектов, размером менее половины длины волны используемого излучения (630нм для красного света).

Если бактерии мы еще можем разглядеть в оптический микроскоп (и то без детализации), то вирусы - объект недостижимый.

Как сообщает портал Phys.org, 11 декабря команда исследователей из Университета Вандербильта отрапортовала в журнале Nature Minerals о достижении предела наблюдений в 30нм при помощи хитрой “гиперлинзы”. Теоретически, это позволит наблюдать, к примеру, вирусы на поверхности живой клетки в естественной среде.

В качестве материала гиперлинзы используется гексагональный нитрид бора (hBN), который уже применялся для построения оптических систем с разрешением, позволяющим наблюдать объекты в 36 раз меньше длины волны излучения. В этот раз показатели улучшили ещё в 10 раз.

Гексагональный нитрид бора, вернее его кристаллическая решетка (спасибо Википедии)

Физика гиперлинзы состоит в том, что фотоны излучения (инфракрасного, в случае нитрида бора) образуют устойчивые связи с колебаниями решетки - фононами. Получившаяся квазичастица носит название поляритона, её длина волны существенно ниже длины волны ИК-излучения. Грубо говоря, поляритоны в кристалле hBN служат “транспортом” для уплотнения и доставки квантов ИК-излучения до изучаемого объекта.

Излучение в инфракрасном диапазоне удобно так же тем, что позволяет снимать спектры и строить “химические изображения” исследуемых объектов: именно в диапазоне 2-25 мкм находится так называемая “область отпечатков пальцев”, несущая основную информацию о химических связях соединений.

Пример "химического изображения" луковой шелухи. Размер тут не маленький - пара миллиметров, но принцип тот же: полоса поглощения липидного эфира имеет разную интенсивность в разных точках. Спектры сняты в диапазоне 2.5 - 20мкм на "обычном" ИК-микроскопе.

Природный бор содержит 2 изотопа: ¹⁰B и ¹¹B, масса которых различается примерно на 10%. Соответственно, если вырастить кристалл нитрида бора из неочищенного сырья, спектр фононов (колебаний кристаллической решетки) будет нерегулярным. Новизна подхода товарищей из Теннесси состояла в использовании изотопно очищенного бора, в результате атомы в узлах решетки hBN стали братьями-близнецами и время жизни поляритонов увеличилось в 3 раза.

Используемые в настоящий момент инструменты для исследований живых систем - электронные и атомно-силовые микроскопы, к сожалению, не совместимы с жизнью этих систем по ряду причин: высокие энергии, необходимость пробоподготовки (сушки или вымораживания) и т.д. Если с гиперлинзированием всё получится, у нас появится замечательный метод неразрушающего исследования биологических микрообъектов с высоким разрешением.