Публикации: Прочее (рубрикатор)

(о возможностях оптических методов за пределом дифракции)

Еще со школьной скамьи мы знаем, что пространственное разрешение любого оптического метода ограничено дифракцией. Для видимого света, который и дарит нам привычную гамму цветов, предел разрешения составляет около 200 нм. Это та граница на шкале размеров, которая, словно река Лета, отделяет макро- и микромир ярких красок, от бесцветного наномира, в котором само понятие естественного спектра, казалось бы, теряет смысл.

Так было раньше, но развитие современных методов исследования позволило шагнуть далеко за предел дифракции. Сегодня оптические свойства вещества в видимом диапазоне длин волн можно изучать с пространственным разрешением в десятки нанометров. Рассмотрим только два подхода, которые стали возможны благодаря развитию сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Дифракция не позволяет нам сфокусировать луч света в пятно меньше некоторого предела (около 200 нм для синего света). Но что будет, если мы заставим свет проходить через очень маленькое отверстие – с диаметром существенно меньше длины волны? Общечеловеческий здравый смысл подсказывает, что на большом удалении от такой маленькой диафрагмы мы получим очень слабый сигнал, кроме того, луч будет расширяться в силу все той же дифракции. Напротив, вблизи от диафрагмы вроде бы должна быть возможность получить достаточно узкий световой пучок. Идея сделать микроскоп, работающий на таком принципе, появилась еще в начале ХХ века. На самом деле теория СБОМ, то есть детальное описание того, что происходит со светом вблизи субволнового отверстия, далеко не так проста. Тем не менее, практические следствия из нее близки к тем, что подсказывает здравый смысл.

Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50-100 нм и приблизить ее на расстояние несколько десятков нанометров к поверхности исследуемого образца, то, перемещая такой «источник света» по поверхности от точки к точке (и обладая достаточно чувствительным детектором), можно исследовать оптические свойства данного образца в локальной области, соответствующей размеру отверстия.

Именно так устроен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ). Роль отверстия (субволновой диафрагмы) обычно выполняет оптоволокно, один конец которого заострен и покрыт тонким слоем метала, везде, кроме небольшой области на самом кончике острия (диаметр «незапыленной» области как раз составляет 50-100 нм). С другого конца в такой световод поступает свет от лазера (Рис.1).

На рисунке 1 показана схема, реализованная в нанолаборатории Интегра Солярис (Рис.2, 3). В ней удержание апертуры на нужном расстоянии от поверхности осуществляется благодаря поперечно-силовым взаимодействиям. Амплитуда вынужденных колебаний кончика оптоволокна резко уменьшается в непосредственной близости от поверхности (еще до того как острие коснулось образца). Этот параметр (амплитуда колебаний) регистрируется кварцевым резонансным датчиком и используется в качестве сигнала обратной связи, на основании которого пьезоэлементы поднимают оптический зонд над поверхностью (когда амплитуда колебаний уменьшается слишком сильно) или, напротив, приближают его к ней (при увеличении амплитуды). При такой схеме одновременно с построением оптического изображения автоматически получается карта рельефа поверхности. Разновидности СБОМ, дающие различную оптическую информацию (о пропускании/поглощении , об отражении, о люминесценции), представлены на сайте НТ-МДТ в виде анимированных схем.

С помощью СБОМ можно изучать оптические явления с пространственным разрешением 30-50 нм. На рисунке 2 видно, как выглядит сама картина дифракции при фокусировании света 100-кратным объективом в обычном световом микроскопе. Искусственная гамма цветов в данном случае помогает лучше понять характеристики объекта: переход от зеленого к красному здесь – это половина высоты пика интенсивности сигнала, т.е. размеры красного пятна показывают реальную разрешающую способность данной оптической системы (оптического микроскопа).

Отличительной особенностью СБОМ является принципиальная необходимость работать с очень слабыми сигналами. При прохождении через субволновую апертуру интенсивность оптического сигнала снижается на 4-5 порядков. Того, что остается, оказывается вполне достаточно при наличии чувствительного детектора, если мы имеем дело с высоко прозрачными объектами, яркой флуоресценцией (Рис.4) или с хорошо отражающими поверхностями. Однако многие спектроскопические методы оказываются недоступны для СБОМ. Например, спектроскопия комбинационного рассеяния сама по себе основана на регистрации слабых сигналов (примерно один фотон на 10 миллионов несет информацию, пригодную для КР спектроскопии). Поэтому совмещение КР микроскопии и СБОМ для спектральных измерений за дифракционным пределом оказывается невозможным.

КР микроскопия сверхвысокого разрешения

В конце прошлого (ХХ) столетия было обнаружено удивительное явление – наноразмерные неровности на поверхности некоторых металлов (в частности, золота и серебра) могут на несколько порядков увеличивать частоту комбинационного рассеяния (см. например, СОЖ, т.7, №7, 2001, стр. 109-116). Этот феномен лег в основу множества научных публикаций, в которых по спектрам КР обнаруживали сверхмалые количества вещества (вплоть до единичных молекул). Surface Enhanced Raman Scattering или SERS – так в англоязычной литературе стали обозначать явления в которых для получения гигантского усиления КР используются специальные шероховатые подложки с серебряным или золотым покрытием.

Таким образом, SERS позволяет решить проблему слабых сигналов в спектроскопии КР. Однако такая схема обнаружения веществ не решает проблему пространственного разрешения. Очевидно, что если около одной наноразмерной шероховатости – скажем, наночастицы серебра, – окажутся две одинаковые молекулы, мы в принципе не сможем разрешить их, т.е. увидеть как два отдельных источника сигнала, и, тем более, измерить расстояние между ними, если это расстояние будет меньше предела дифракции.

НТ-МДТ оказалась первой компанией, которая соединила вместе оптический микроскоп/спектроскоп КР и сканирующий зондовый микроскоп и на базе этого сочетания сделала коммерческий прибор для КР микроскопии за пределом дифракции (Интегра Спектра). Принцип его работы показан на схеме (Рис.5). В качестве наноразмерно-шероховатой поверхности выступает кончик СЗМ зонда со специальным металлическим покрытием. Такой зонд помещается в определенную область в фокусе светового пучка. Свет фокусируется мощным оптическим микроскопом, причем, благодаря включению конфокальной схемы, пространственное разрешение оптической части приближается к предельно возможному. Когда освещенное острие зонда приближается к поверхности образца, оно начинает усиливать комбинационное рассеяние в поверхностном слое вещества. Перемещая образец и регистрируя сигнал КР в каждой точке поверхности, можно построить карту распределения спектральных свойств в образце. Явления, в которых гигантское усиление КР осуществляется с помощью специального острия, в английской литературе получили обозначение TERS – Tip Enhanced Raman Scattering (разработчики НТ-МДТ были первыми, кто сделал коммерчески доступный прибор для работы с TERS, однако научных работ по этой тематике опубликовано уже немало).

Сигнал КР вблизи от острия намного сильнее, чем во всех остальных участках светового пятна, поэтому пространственное разрешение такого картирования определяется областью локального усиления КР сигнала, а она составляет несколько десятков нанометров. На рисунках 6 - 7 приведены изображения пучка углеродных нанатрубок – одно получено в режиме конфокальной КР микроскопии (для картирования взята G-линия), а второе – в режиме TERS. На TERS изображении виден «призрак» обычного конфокального изображения – это сигнал из остальной части светового пятна (яркая линия – это сигнал из-под иглы).

Таким образом, исследуя образец специальным зондом, точно спозиционированным в фокусе светового пучка, можно локализовать сигнал КР с разрешением несколько десятков нанометров. Это открывает огромные возможности практически во всех областях науки, где КР спектроскопия используется, как источник информации о веществе. Американский журнал «Research and Development», который проводит ежегодный конкурс в области научных разработок, ориентируясь, прежде всего, на перспективность заложенной в основу идеи, назвал в 2006 году нанолабораторию Интегра Спектра (NTEGRA Spectra) одной из 100 лучших разработок.

Если спектр КР – это своего рода «цветовая подпись», специфичная для данного типа молекул, то TERS – это способ идентифицировать «по цвету» сверхмалые количества вещества (вплоть до единичных молекул). Продолжая образный ряд, можно сказать, что и TERS (Интегра Спектра) и СБОМ (Интегра Солярис) дают возможность различать цвета далеко за пределом дифракции. Поэтому на вопрос, поставленный в заглавии данной статьи, отвечаем положительно: цвета у нанообъектов не только существуют, но и доступны для наблюдения!