211service.com
Nya lasrar peer in i celler
Ingenjörer från Harvard University har byggt en laser som kan tillåta forskare att titta in i celler med ultrahög upplösning och se cellulära händelser när de inträffar. Genom att lägga till nanoantenner till infraröda lasrar har forskarna gjort det möjligt att fokusera ljuset mycket tätare. I själva verket kan lasrarna leda till bildbehandling med minst 100 gånger högre upplösning.
Ljuspunkt: Dessa två guldtackor på en kvantkaskadlaser är vardera 1,2 mikrometer långa. Stängerna fungerar som antenner och fokuserar mellaninfrarött ljus till en punktstorlek som motsvarar gapet mellan dem, 100 nanometer.
Fram till nu har upplösningen hos mikroskopen som används för att titta på den kemiska sammansättningen av vävnader begränsats av en fysisk egenskap hos ljus som kallas diffraktionsgränsen. Med traditionella linser kan ljus bara fokuseras till en stråle så bred som halva dess våglängd; om ett mikroskop använder mellaninfrarött ljus med en våglängd på 24 mikrometer, kan det bara fokuseras på en fläck som är 12 mikrometer bred. Med tanke på storleken på djurceller (10 mikrometer), bakterier (1 mikrometer) och virus (tiotals nanometer) är detta alldeles för stort.
Förra året var Harvard-forskarna de första att utveckla ett praktiskt system för att övervinna diffraktionsgränsen. Federico Capasso och Kenneth Crozier tillämpade tekniken på lasrar som används för att läsa och skriva skivor i persondatorer. Detta arbete kan leda till mycket täta DVD-liknande lagringsskivor som innehåller hundratals filmer. (Se TR10: A New Focus for Light.) Nu har Harvard-forskarna vänt sig till en annan sorts instrument, kallad kvantkaskadlaser, och ett nytt fält, biologisk avbildning.
Kvantkaskadlasrar utvecklades av Capasso och andra vid Bell Labs 1994. Dessa lasrar är kompakta och robusta och kan byggas för att avge ljus vid vilken våglängd som helst i hela spektrumet som kallas mellaninfraröd. Detta ljus sträcker sig från 3 till 24 mikrometer och är användbart för att identifiera olika kemikalier eftersom mellaninfrarött ljus får molekyler att resonera vid identifierbara frekvenser. Kvantkaskadlasrar används för att känna av små mängder gaser, särskilt föroreningar, vid nivåer så låga som en del per miljard.
Crozier och Capasso skapade ett skarpare fokus för redan existerande kvantkaskadlasrar genom att rista ut två små guldtackor där ljuset sänds ut. De lägger ner ett tunt lager av guld, skär sedan bort det för att lämna två rektangulära antenner, var och en cirka en mikrometer i diameter. När lasern sänder ut ljus bildas ett intensivt elektriskt fält i gapet mellan guldantennerna, vilket koncentrerar ljuset till en stråle med samma bredd som gapet, cirka 100 nanometer. Ett mikroskop som använder en sådan laser skulle också ha en upplösning på cirka 100 nanometer.
En applikation där kvantkaskadlasrar för närvarande inte används ännu är högupplöst bildbehandling, säger Claire Gmachl , en elektroingenjör vid Princeton University som var involverad i utvecklingen av kvantkaskadlasrar vid Bell Labs. Gmachl säger att tekniken visar mest lovande för biologisk avbildning på cellnivå. Mikroskop som använder de nya lasrarna ska kunna upptäcka till exempel förändringar i enskilda proteiner på cellytorna.
Med hjälp av de optiska antennerna, säger Crozier, begränsas fläckstorleken för laserljus endast av gapet mellan guldtackorna. När nanotillverkningsteknikerna förbättras borde det vara möjligt att göra optiska mikroskop med ännu högre upplösning.