Siêu hiển vi quang học – giới hạn nhiễu xạ bị phá vỡ

Kính hiển vi quang học, một dụng cụ quan sát có lịch sử gần 400 năm, đã trở nên quá quen thuộc đối với bất kỳ ai có từng học qua các môn về khoa học tự nhiên (vật lý, sinh học…). Học sâu thêm chút ít về quang học, ta lại biết thêm rằng độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng khả kiến (nguồn bức xạ dùng để quan sát). Những chi tiết nhỏ dưới bước sóng ánh sáng khả kiến (khoảng hơn 300 nm) sẽ không thể phân biệt được bằng kính hiển vi quang học (dù bạn có phóng đại tới cỡ nào) bởi chúng không thể gây được sự nhiễu xạ với ánh sáng khả kiến. Thế nhưng kính hiển vi quang học vẫn là thiết bị được yêu thích trong nhiều nghiên cứu (đặc biệt là trong sinh học và y học) vì chúng có thể quan sát nhiều chi tiết (không quá nhỏ) mà không gây ảnh hưởng nên mẫu vật, cũng như không đòi hỏi môi trường chân không (như mấy anh chàng TEM, SEM), đồng thời tốc độ phân giải thời gian thì không có thiết bị hiển vi nào bằng.

Kính hiển vi đồng tiêu (confocal microscopy) và kính hiển vi quang học quét trường (near-field scanning optical microscopy – NFSOM) gần là hai thiết bị hiển vi có thể vượt qua giới hạn nhiễu xạ nhưng kính hiển vi đồng tiêu không vượt qua giới hạn nhiễu xạ quá nhiều, còn kính hiển vi quét trường gần thì quá chậm và điều chỉnh quá phức tạp, vì thế cả hai thiết bị này cũng không hẳn là những công cụ được ưa chuộng rộng rãi. Phải chăng chúng ta cứ chịu bó tay mãi với giới hạn này?Và mới đây, các nhà nghiên cứu ở Viện Max Planck về Lý sinh hóa (Gottingen, Đức) và Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Quốc gia ở Heildelberg (Đức) đã tìm ra một giải pháp tối ưu để vượt qua giới hạn này bằng cách kết hợp thiết bị làm nghèo phát xạ kích thích (Stimulated Emission Depletion – STED) và hiển vi huỳnh quang như nguyên lý dưới đây.

Hình 1. Nguyên lý của thiết bị và phổ cường độ sáng phân bố trong chùm sáng STED (Nature Methods 8, 571-573 (2011)). )

Trong thiết bị STED, người ta sử dụng một chùm tia kích thích được căn chỉnh nhờ một chùm tia có phân bố Gauss hội tụ theo dạng hình xuyến (CW-STED – hình 1a). Ánh sáng huỳnh quang phát xạ từ mẫu vật sẽ được ghi nhận bởi vật kính và ghi lại bằng một detector đếm đơn photon. Sự làm yếu ánh sáng bức xạ kích thích thứ cấp từ chùm tia phân bố dạng hình xuyến giúp loại bỏ các tín hiệu rìa, chỉ ghi lại phần bức xạ ở gần tâm chùm sáng do đó làm tăng độ phân giải của thiết bị. Nhóm đã đạt được độ phân giải 40-70 nm với một thiết bị ở dạng thương mại sản xuất bởi hãng thiết bị quang học nổi tiếng LEICA. Đây quả là một tiến bộ tuyệt vời ở nhóm các sản phẩm quang học sử dụng ánh sáng khả kiến. Với độ phân giải này, nhiều mô sinh học có thể quan sát dễ dàng hơn.

Hình 2. Ảnh chụp thử nghiệm của thiết bị so sánh với hính hiển vi huỳnh quang (Nature Methods 8, 571-573 (2011)). ). Chú ý, thang độ dài trong các bức ảnh là 1 micromet.

Dự kiến thiết bị này sẽ được thương mại hóa vào đầu năm 2012 sau khi Viện Nghiên cứu Ung thư Quốc gia Đức (nơi đang giữ bản quyền phát minh của thiết bị) đạt được những thỏa thuận thương mại hóa với LEICA. Nhóm nghiên cứu cũng đã công bố nghiên cứu này trên tạp chí Nature Methods.

4 Comments

  1. Em là dân sinh học. Thấy thiết bị mới này hay quá nên em đang muốn tim hiêu thêm về chi tiết: nguyên tắc hoạt động, cơ chế vận hành của mọt hệ thống, cách phân tích&đánh gí dữ liệu hình ảnh thu được,….Xin anh dành chút thời gian chia sẽ cho em được k ạ..Thank anh nhiều…

    1. Bạn muốn tìm hiểu về kỹ thuật confocal microscopy hay là chỉ bó hẹp trong phạm vi thành tựu này? Nếu là thành tựu này thì tôi có thể gửi cho bạn bài báo trên Nature để bạn nghiên cứu, còn nếu bạn quan tâm về confocal microscopy thì khác. Tôi không phải là chuyên gia về confocal microscopy nên không dám chắc mình có nhiều các kiến thức chuyên sâu để có thể giúp bạn nhiều như bạn mong đợi.

      1. Em chỉ muốn hiểu cái nguyên lí hoạt động và cấu tạo chính của nó anh à..Thank anh nhiều

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s