Connaissance scientifique : Le voyage ardu de l'humanité dépassant la limite de différence optique

Limite de diffraction

Taches de diffraction

La diffraction se produit lorsqu'une source de lumière ponctuelle passe à travers une ouverture circulaire, créant un motif de diffraction derrière l'ouverture. Ce motif se compose d’une série d’anneaux concentriques clairs et sombres appelés disques Airy. Lorsque les disques Airy de deux sources ponctuelles se chevauchent, des interférences se produisent, rendant impossible la distinction entre les deux sources. La distance entre les centres des disques Airy, qui est égale au rayon du disque Airy, détermine la limite de diffraction.

La limite de diffraction impose une limitation à la résolution des microscopes optiques, empêchant la distinction résoluble d'objets ou de détails trop rapprochés. Plus la longueur d’onde de la lumière est courte, plus la limite de diffraction est petite et plus la résolution est élevée. De plus, les systèmes optiques avec une plus grande ouverture numérique (NA) ont une limite de diffraction plus petite et donc une résolution plus élevée.

Disques aérés

La formule de calcul de la résolution, NA représente l'ouverture numérique :

Résolutionï¼rï¼ = 0,16λ / NA

Tout au long de l’histoire, les scientifiques se sont lancés dans un voyage long et difficile pour dépasser la limite de diffraction des microscopes optiques. Depuis les premiers microscopes optiques jusqu’aux techniques modernes de microscopie à super-résolution, les chercheurs n’ont cessé d’explorer et d’innover. Ils ont essayé diverses méthodes, telles que l'utilisation de sources lumineuses de longueur d'onde plus courte, l'amélioration de la conception des objectifs et l'emploi de techniques d'imagerie spécialisées.

Certaines avancées importantes incluent :

1. Microscopie optique à balayage en champ proche (NSOM) : NSOM utilise une sonde placée près de la surface de l'échantillon pour profiter de l'effet de champ proche et obtenir une imagerie haute résolution.

2. Microscopie à appauvrissement en émission stimulée (STED) : STED utilise l'effet d'appauvrissement en émission stimulée de molécules fluorescentes pour obtenir une imagerie à super-résolution.

3. Microscopie à éclairage structuré (SIM) : La SIM améliore la résolution de l'imagerie grâce à des modèles d'éclairage spécifiques et des algorithmes de traitement d'image.

4. Microscopie de localisation de molécule unique (SMLM) : SMLM permet d'obtenir une imagerie de super-résolution en localisant et en suivant avec précision les molécules fluorescentes individuelles.

5. Microscopie à immersion dans l'huile : l'immersion de l'objectif dans une huile transparente augmente l'ouverture numérique dans l'espace objet, ce qui entraîne une résolution améliorée.

6. Microscope électronique : En substituant des faisceaux d'électrons aux faisceaux lumineux, la microscopie électronique tire parti de la nature ondulatoire de la matière selon le principe de de Broglie. Les électrons, ayant une masse par rapport aux photons, possèdent une longueur d'onde plus petite et présentent moins de diffraction, ce qui permet une résolution d'imagerie plus élevée.

Microscope à fluorescence inversée

Microscope électronique à transmission à émission de champ CIQTEK 120kV TH-F120

Ces développements nous ont permis d'observer le monde microscopique à un niveau supérieur, acquérant une compréhension plus approfondie de la structure et de la fonction des molécules biologiques et des propriétés microscopiques des matériaux.

De plus, les scientifiques étudient actuellement les techniques suivantes pour repousser les limites de la diffraction optique :

1. Microscopie à résonance plasmonique de surface : Cette technique utilise les résonances plasmoniques de surface sur des surfaces métalliques pour renforcer les champs électromagnétiques localisés et améliorer la résolution de l'imagerie.

2. Microscopie nanophotonique : La microscopie nanophotonique manipule les structures de photons à l'échelle nanométrique pour obtenir une imagerie de super-résolution.

3. Microscopie acoustique : Les ondes acoustiques sont utilisées pour l'imagerie, avec des longueurs d'onde plus courtes que la lumière, permettant une résolution plus élevée.

De plus, d'autres axes de recherche attendent d'être explorés pour dépasser la limite de diffraction, notamment :

1. Microscopie optique linéaire : Les effets optiques non linéaires, tels que la génération de deuxième harmonique et la génération de troisième harmonique, sont utilisés pour améliorer la résolution de l'imagerie.

2. Microscopie interférentielle : Des phénomènes d'interférence sont utilisés pour acquérir des informations de phase de l'échantillon, améliorant ainsi le contraste et la résolution de l'imagerie.

3. Microscopie en champ lumineux : La microscopie en champ lumineux enregistre simultanément les informations sur l'intensité et la phase du champ lumineux, permettant une imagerie tridimensionnelle et une imagerie super-résolution.

4. Microscopie des métamatériaux : Des métamatériaux dotés de propriétés spéciales, telles que l'indice de réfraction négatif et les superlentilles, sont utilisés pour dépasser la limite de diffraction.

5. Microscopie assistée par apprentissage profond : La combinaison d'algorithmes d'apprentissage profond et de techniques de microscopie améliore la résolution des images et les capacités d'analyse.

Dépasser la limite de diffraction reste un défi permanent. À l’avenir, nous pourrions assister à l’émergence de techniques de microscopie encore plus avancées, ouvrant de nouvelles possibilités pour les applications de la recherche scientifique.