Сможет ли SIMIP изменить подход к химическому анализу на наноуровне?

Сверхразрешающие микроскопы позволяют рассматривать мельчайшие детали, однако их ограниченность заключается в необходимости использования флуоресцентных меток. Такие метки обеспечивают структурную информацию, но не позволяют точно определить химический состав исследуемых объектов. В то же время вибрационные методы визуализации способны идентифицировать молекулы по их химическим связям без вмешательства в структуру образца.
Сможет ли SIMIP изменить подход к химическому анализу на наноуровне?
Изображение носит иллюстративный характер

Современные вибрационные методы сталкиваются с существенными трудностями. При поглощении светом средней инфракрасной области (MIR) в образце возникают физические изменения, например, сдвиги показателя преломления или акустические сигналы. Однако уровень сигнала при этом остается очень низким, что затрудняет достижение высокой разрешающей способности и ярко выраженного химического контраста одновременно.

Решение этой проблемы предложили исследователи Чжэцзянского университета (Китай) под руководством профессора Дэлонга Чжана. Их новая методика ― структурированная подсветка в среднеинфракрасной фототермальной микроскопии (SIMIP) ― описана в журнале Advanced Photonics. Эта технология обеспечивает разрешение, в два раза превышающее возможности традиционных микроскопов, и представляет собой значительный шаг вперед в области вибрационной визуализации для химического и биологического анализа на наноуровне.

SIMIP сочетает в себе два ключевых подхода. Первый — это технология структурированной подсветки (SIM), которая искусственно повышает пространственное разрешение. Второй — инфракрасная фототермальная детекция, предоставляющая химическую избирательность. В системе используются квантово-каскадный лазер (QCL) для возбуждения определенных молекулярных связей и создания локального нагрева, а также 488-нм непрерывноволновой лазер и пространственный модулятор света (SLM) для формирования полосовых (структурированных) узоров света под разными углами. Сигналы регистрируются научной CMOS-камерой.

Процесс работы построен на формировании полосовых интерференционных узоров, так называемых муаровых полос, которые кодируют высокочастотные детали в доступные для регистрации сигналы. Для получения изображения высокого разрешения сравниваются снимки, сделанные с поглощением вибраций и без него; далее с помощью вычислительных методов восстанавливаются изображения, обладающие как высокой химической, так и пространственной информативностью.

В системе задействованы алгоритмы Hessian SIM и разреженной деконволюции, что позволяет достигать пространственного разрешения до 60 нм. Скорость визуализации превышает 24 кадра в секунду. В тестовых экспериментах были использованы 200-нм микросферы из полиметилметакрилата с термочувствительными флуоресцентными красителями, а квантово-каскадный лазер сканировал спектральный диапазон 1420–1778 см-1. Результаты, полученные с помощью SIMIP, полностью совпали с данными классической Фурье-спектроскопии (FTIR).

SIMIP обеспечивает улучшение разрешения в 1,5 раза по сравнению со стандартной MIR-фототермальной микроскопией: ширина на полувысоте (FWHM) составила 335 нм против 444 нм у обычных методов. Также SIMIP позволяет различать полистирол и полиметилметакрилат даже в сверхплотных скоплениях, что невозможно для стандартной флуоресцентной микроскопии.

Дополнительная функциональность достигается переходом к точечному сканированию или применением зондирующего луча меньшей длины волны для широкополосного фототермального детектирования, что существенно расширяет совместимость с существующими оптическими платформами. Объединение SIM и MIP (среднеинфракрасной фототермальной микроскопии) обеспечивает высокоскоростную сверхразрешающую химическую визуализацию за пределами дифракционного предела.

SIMIP открывает новые перспективы для материаловедения, биомедицинских исследований, химического анализа, а также для детекции малых молекул и их взаимодействия с клеточными структурами. Среди ближайших задач — повышение точности временной синхронизации для увеличения скорости и достоверности съемки, а также исследование новых температурочувствительных красителей для повышения чувствительности. Для внедрения SIMIP в лабораторную практику требуются минимальные доработки оборудования, что делает метод доступным для широкого круга исследователей.


Новое на сайте

20327Кости прерий: как истребление бизонов породило целую индустрию — и сама себя же уничтожила 20326Кто и зачем взламывает серверы Ollama и ComfyUI ради ключей от AWS? 20325Как злоумышленники спрятали командный сервер внутри блокчейна и почему его невозможно... 20324Брюссель заставляет Android делиться секретами с чужими ИИ-помощниками 20323WordPress: как два бага слились в одну критическую дыру, которую назвали wp2shell 20322Как китайские хакеры обманули DigiCert и украли сертификаты для подписи кода? 20321Что скрывается за уязвимостью, которую агентство США внесло в список активно используемых... 20320Автономные системы наступают быстрее, чем инфраструктура для управления ими: кто выиграет... 20319Почему в OpenSSL нашли дыру, съедающую память серверов, но не дали ей даже номер CVE? 20317SonicWall SMA 1000: как два бага превратили VPN-шлюз в бэкдор для атакующих 20316Может ли уязвимость в клиенте Zoom для Windows открыть доступ к чужому аккаунту без... 20315TELEPUZ: новый вредонос на C, который научился прятаться в Telegram, Steam и блокчейне... 20314Дома из дёрна: как исландцы триста лет прятались от холода под слоем земли и травы 20313Как один токен от чужого сервиса мог впустить злоумышленника в чужой аккаунт n8n?
Ссылка