211service.com
Nieuwe lasers kijken in cellen
Ingenieurs van de Universiteit van Harvard hebben een laser gebouwd waarmee onderzoekers in cellen kunnen kijken met een ultrahoge resolutie en cellulaire gebeurtenissen kunnen bekijken terwijl ze plaatsvinden. Door nano-antennes aan infraroodlasers toe te voegen, hebben de onderzoekers het mogelijk gemaakt om het licht veel scherper te focussen. De lasers zouden inderdaad kunnen leiden tot beeldvorming met een resolutie die minstens 100 keer groter is.
Lichtpunt: Deze twee goudstaven op een kwantumcascadelaser zijn elk 1,2 micrometer lang. De staven fungeren als antennes, die midden-infraroodlicht bundelen tot een puntgrootte gelijk aan de opening ertussen, 100 nanometer.
Tot nu toe werd de resolutie van de microscopen die worden gebruikt om naar de chemische samenstelling van weefsels te kijken, beperkt door een fysieke eigenschap van licht, de diffractielimiet. Met traditionele lenzen kan licht alleen worden gefocusseerd in een straal die zo breed is als de helft van zijn golflengte; als een microscoop mid-infrarood licht met een golflengte van 24 micrometer gebruikt, kan deze alleen worden scherpgesteld op een plek van 12 micrometer breed. Gezien de grootte van dierlijke cellen (10 micrometer), bacteriën (1 micrometer) en virussen (tientallen nanometers) is dit veel te groot.
Vorig jaar waren de Harvard-onderzoekers de eersten die een praktisch systeem ontwikkelden om de diffractielimiet te omzeilen. Federico Capasso en Kenneth Crozier paste de techniek toe op de lasers die worden gebruikt om schijven in personal computers te lezen en te beschrijven. Dit werk kan leiden tot zeer compacte dvd-achtige opslagschijven die honderden films bevatten. (Zie TR10: A New Focus for Light.) Nu hebben de Harvard-onderzoekers zich tot een ander soort instrument gewend, een kwantumcascadelaser genaamd, en een nieuw veld, biologische beeldvorming.
Quantum-cascadelasers werden in 1994 door Capasso en anderen bij Bell Labs ontwikkeld. Deze lasers zijn compact en stevig en kunnen worden gebouwd om licht uit te zenden op elke golflengte in het hele spectrum van het midden-infrarood. Dit licht, dat varieert van 3 tot 24 micrometer, is nuttig voor het identificeren van verschillende chemicaliën, omdat mid-infrarood licht ervoor zorgt dat moleculen op herkenbare frequenties resoneren. Kwantumcascadelasers worden gebruikt voor het detecteren van kleine hoeveelheden gassen, met name verontreinigende stoffen, met niveaus van slechts één deel per miljard.
Crozier en Capasso creëerden een scherpere focus voor reeds bestaande kwantumcascadelasers door twee kleine goudstaven te snijden waar het licht wordt uitgestraald. Ze leggen een dunne laag goud neer en snijden het vervolgens weg om twee rechthoekige antennes over te laten, elk met een diameter van ongeveer een micrometer. Wanneer de laser licht uitzendt, vormt zich een intens elektrisch veld in de opening tussen de gouden antennes, waardoor het licht wordt geconcentreerd in een straal met dezelfde breedte als de opening, ongeveer 100 nanometer. Een microscoop die een dergelijke laser gebruikt, zou ook een resolutie hebben van ongeveer 100 nanometer.
Een toepassing waar kwantumcascadelasers momenteel nog niet worden gebruikt, is beeldvorming met hoge resolutie, zegt Claire Gmachl , een elektrotechnisch ingenieur aan de Princeton University die betrokken was bij de ontwikkeling van kwantumcascadelasers bij Bell Labs. Gmachl zegt dat de techniek het meest veelbelovend is voor biologische beeldvorming op cellulair niveau. Microscopen die de nieuwe lasers gebruiken, moeten bijvoorbeeld veranderingen in individuele eiwitten op het oppervlak van cellen kunnen detecteren.
Met behulp van de optische antennes, zegt Crozier, wordt de puntgrootte van laserlicht alleen beperkt door de opening tussen de goudstaven. Naarmate de nanofabricagetechnieken verbeteren, zou het mogelijk moeten zijn om optische microscopen met een nog hogere resolutie te maken.