Bilim insanları ışık saçan düzensiz malzemelerle optik mikroskopları geliştirdi

Geleneksel bir optik mikroskop görünür ışığın dalgaboyunun yaklaşık yarısı kadar ufaklıkta bir cismi görüntüleyebilir.  Bu yaklaşık olarak 0.25 mikrometre (bir mikrometre bir metrenin milyonda biridir)  uzunluğa denk gelir. Biyolojik hücrelerdeki, bilgisayar çiplerindeki birçok ilginç detay 0.25 mikrometreden daha küçüktür.  Çözünürlüğü yükseltmek için genelde kullanılan yöntem görüntülenecek cismi aydınlatmada kullanılan mikroskop ışığını şekillendirmektir. Bu yöntemle birçok farklı şekillendirilmiş aydınlatma ışığıyla elde edilen düşük çözünürlükteki görüntüler bir bilgisayarda birleştirilir ve yüksek çözünürlük elde edilir.

Bu yöntem için şu ana kadar bilim insanları çok hassas ve kusursuz cam mercekler kullanıyordu. Fakat, bu şekilde kusursuz optik mercekler elde etmek ancak sınırlı tipte malzemeyle mümkün. Doğadaki birçok malzeme mat ve ışığı rastgele her yöne saçıyor. Buna en tipik örneklerden biri insan derisi, yaprak veya kağıt olarak gösterilebilir.

Yeni yöntem

Mat bir malzemeden rastgele saçılan bir lazer ışığı rastgele dağılmış parlak ve karanlık bölgelerden oluşan bir girişim deseni oluşturur. Bunun sebebi mat malzemeden yansıyan ya da geçen ışığın defalarca saçılıp rastgele girişime girmesidir. MESA+ Nanoteknoloji Enstitütü, Twente Üniversitesi araştırmacıları bu rastgele girişim desenini yüksek çözünürlüklü bir optik mikroskop geliştirmek için kullandı. Işık saçılmasını elde ettikleri malzemeyi optimize ederek şu ana kadar görünür ışıkla elde edilen en yüksek detaylı rastgele girişim desenini elde ettiler. Bu rastgele ışık saçılımını geniş alanlı bir optik mikroskopta aydınlatma ışığı olarak kullanarak 0.12 mikrometre çözünürlüğünde geniş alanlı floresan görüntüler elde ettiler. 

Bu yeni yöntemde görmek istediğiniz cisim -örneğin bir biyolojik hücre- ışık saçan mat malzemenin pürüzsüz olan yüzeyine koyuluyor. Pürüzlü olan ve ışık saçan diğer yüzeyi lazer ışığı ile aydınlatılıyor. Bu “mat mercek” cisim üzerinde rastgele bir ışık deseni oluşturuyor. Bu ışık deseni bu malzemede bulunan özel bir bağıntı sayesinde görüntülenmek istenen cisim üzerinde taranabiliyor. Tarama esnasında kamerayla kaydedilen düşük çözünürlükteki görüntüler bilgisayarda birleştirilip yüksek çözünürlükte bir görüntü elde edilebiliyor. 

Makalenin ilk yazarı olan Hasan Yılmaz’a göre çözünürlüğün bu şekilde yükselmesi sanki sisli bir havada görüntünün daha da net olması gibi. Ardından “Fakat düşük çözünürlükteki görüntüler kusursuz merceklerle elde edildi, yüksek çözünürlüklü olan görüntü ışığı saçan mat bir mercekle elde edildi” diye ekliyor. Bu yeni yöntem yüzeyleri özel olarak yüksek çözünürlüklü görüntülemek için ideal ve sıcaklık değişimi, gürültü gibi çevresel etkenlere karşı hassas değil. Bu yeni yüksek çözünürlüklü görüntüleme yöntemine rastgele girişim deseniyle çözünürlük yükseltilmesi (Spekle Correlation Resolution Enhancement , SCORE) deniliyor. Yeni mikroskop yöntemi Amerikan optik topluluğu’nun (The Optical Society of America, OSA) yeni çıkan yüksek prestijli bilimsel dergisi Optica’da yayınlandı.

Şekil 1: Kamera merceğinizi parçalamak görüntüyü netleştirir mi? Solda: Parçalanmış bir kamera merceği (Shutterstock) Sağda: Geleneksel bir yüksek çözünürlüklü optik mikroskopla görüntülenmiş floresan nanoparçacıklar (sol/üst) ve aynı nanoparçacıkların yeni SCORE yöntemiyle görüntülenmiş bir resim (sağ/alt). SCORE yönteminde saçılan ışık çok daha ince detayları yakalayabiliyor. Kare şeklindeki resmin toplam boyutu 10 µm x 10 µm.

 

Yazarlar:  H. Yılmaz, E. G. van Putten, J. Bertolotti, A. Lagendijk, W. L. Vos, and A. P. Mosk
Dergi: Optica http://optica.osa.org/
Araştırma grubu: Complex Photonic Systems (COPS) http://cops.tnw.utwente.nl
Enstitü: MESA+ Nanoteknoloji Enstitüsü, Twente Üniversitesi, Hollanda.a’da.
Kaynak: http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.2.000424