Skjerp deg!

Hvor små ting kan du se i mikroskoper? Lyset selv setter en grense. Men det finnes måter å lure lyset på. En polsk student har laget økonomiutgaven av et supermikroskop.

Lasermikroskopet som mastergradsstudenten Joanna Oracz ved Universitetet i Warsawa har laget, ligner på den kommersielle varianten, men har også flere egenskaper som er verdifulle for forskere.

- Forskjellen er at vi kan kontrollere alle parametre, ikke bare styrken på laserstrålene, men også størrelsen på strålene, egenskapene til pulsene, polariseringen, tidsstyringen og så videre, skriver Oracz i en e-post til forskning.no.

- Dessuten er dette systemet mye billigere enn de kommersielle, framhever hun.

Joanna Oracz in det optiske laboratoriet. (Foto: Grzegorz Krzyzewski/Universitetet i Warszawa)
Joanna Oracz in det optiske laboratoriet. (Foto: Grzegorz Krzyzewski/Universitetet i Warszawa)

Se uten å drepe

Mikroskopet skal først og fremst brukes til å studere levende celler. De er ganske små, en hundredels millimeter fra ende til annen. Men de store nok til at et vanlig mikroskop kan se dem.

Vanskeligere blir det når forskerne vil zoome inn på cellekjernen. En løsning for å se detaljene, er å bruke et elektronmikroskop.

Men da må de sette inn cellen med formaldehyd for å stive den opp, fryse den ned med flytende nitrogen og dekke den med bly eller uran for å få bedre kontrast.

Da kan forskerne få et veldig skarpt bilde av en veldig, veldig død cellekjerne. Men hvis man vil studere livet, er det alltid en fordel at det er levende.

Som ringer på et tjern

Vanlige mikroskoper som bruker synlig lys dreper ikke cellene. Er det ikke bare å bygge et veldig godt optisk mikroskop?

Nei, dessverre. For problemet til lysmikroskopet ligger ikke i linsene. Det ligger i lyset.

Lys er bølger. Og når lysbølgene bryter mot linsen i mikroskopet, skjer noe av det samme som når ringer brer seg på et tjern.

Blir blubber

Så lenge bølgene har fri bane over vannflaten, er ringene jevne og pene. Men når de treffer steinene ved bredden, brytes ringene opp. Bølger kolliderer med bølger, og lager mønstre. Fysikere kaller det diffraksjonsmønstre.

Det samme skjer når lysbølgene treffer linsen i mikroskopet. Diffraksjonen forvandler et lyspunkt til en lysblubb med ringer rundt.

Uansett hvor bra linsen er, vil diffraksjonsmønstrene sette en nedre grense for hvor skarpt bildet blir.

Skjerp lyset!

I 1957 tok den amerikanske forskeren Marvin Minsky patent på en ny måte å bruke lyset på. I hans mikroskop ble ikke linsene bare brukt til å fokusere gjenstanden som skulle forstørres. Det ble brukt til å fokusere selve lyskilden, lampen som lyste på gjenstanden.

En mer moderne versjon har erstattet en vanlig lampe med en laser. Laserlys har en helt bestemt farge, slik at alle lysbølgene svinger i takt.

Når det fokuseres gjennom en linse, treffer det objektet i en ørliten lysflekk. Mye mindre enn diffraksjonsblubben.

Levende og selvlysende

Men poenget med dette laserlyset er ikke å lyse opp objektet. Det er å få objektet til å lyse selv.

Hvis objektet er en levende celle, blir den satt inn med et fluoriscerende stoff. Dette stoffet begynner å lyse når laseren treffer det, men med en annen farge. Med et fargefilter kan fluorescensen slippe gjennom, og ikke laserlyset.

Og det beste er at cellen overlever.

Som 3D-TV

Men hvordan kan du lage et bilde med ett lite lyspunkt? Ved å la lyspunktet sveipe over objektet. Da bygger bildet seg opp omtrent som på en gammeldags TV-skjerm, linje for linje.

En annen fordel med dette mikroskopet er at laserlyset fokuseres i en bestemt avstand fra linsen.

Det betyr at deler av cellen som er høyere eller lavere enn denne avstanden, ikke treffes av et lyspunkt, men et lysfelt som er smurt ut over et større område. Lysstyrken og fluorescensen blir mye svakere.

På den måten blir bare deler av cellen i en bestemt høyde scannet. Ved å kjøre flere scanninger med forskjellig fokus, kan forskjellige dybdenivåer avbildes.

Til sammen gir de et tredimensjonalt, veldig skarpt bilde av den levende cellen.

Kan bli enda bedre

Marvin Minskys mikroskop kalles et konfokalt scanningmikroskop. Men selv dette mikroskopet har sine begrensninger.

Lyspunktet som skanner over den levende cellen er riktignok mye mindre enn diffraksjonsblubben i et vanlig mikroskop.

Men fordi lyskilden fokuseres av en linse, vil jo også denne linsen lage ørsmå diffraksjonsmønstre og smøre lyspunktet utover.

Lyset snurper seg

I 1999 klarte den rumenske fysikeren Stefan Hell å få det konfokale scanningmikroskopet til å skjerpe seg enda mer. For å få til det, tok han i bruk to forskjellige lasere.

Veldig enkelt forklart så snurper en ring av slukkende laserlys seg sammen omkring den foksuerte laserflekken som tenner fluorescensen. Dermed blir lyspunktet klemt sammen, og blir opptil tolv ganger mindre.

Metoden kalles på engelsk Stimulated Emission Depletion mikroscopy (STED). Stimulert emisjon vil si laser, og depletion henspiller på slukkefunksjonen til den ene laseren.

For første gang kan forskerne se de enkelte organellene og store molekyler i en levende celle. Detaljer helt ned til litt over fem nanometer er avbildet i STED-mikroskopet som Stefan Hell oppfant.

Enda skarpere

- I framtida vil vi gjerne studere de fysiske egenskapene til systemet vårt, og finne de optimale parametrene for å oppnå den beste oppløsningen, skriver Joanna Oracz til forskning.no.

Mikroskopene kan tydeligvis skjerpe seg enda mer.

Lenke/referanse:

Nyhetsmelding på nettstedet Nanotechnology Now

Powered by Labrador CMS