新しい顕微鏡は、通常の光学スコープと透明な微小球スーパーレンズを組み合わせ、光の回折限界を超え、光学顕微鏡の限界を打ち破りました。
この新しい手法により、研究者が観察できる物体の微小さには理論上限界がありません。ヒト細胞の内部を観察したり、初めて生きたウイルスを検査したりできるようになるかもしれません。
標準的な光学顕微鏡では、約1マイクロメートルまでの物体しか見ることができません。ナノスケールの物体を見るために、研究者は走査型トンネル顕微鏡、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡などの手法を用いています。
しかし、これらの技術は、特に医療などの用途においては、その適用範囲が限られています。例えば電子顕微鏡は細胞の表面しか観察できず、その構造を観察することはできません。また、生きたウイルスが活動している様子を観察する方法もありません。
この新しい手法は、従来の光学顕微鏡に微小球「スーパーレンズ」を統合することで機能します。英国マンチェスター大学のZengbo Wang氏、Wei Guo氏、Lin Li氏によると、この球体は顕微鏡プレート上に置かれた物体の像を拡大し、微小球と接触して「虚像」を形成します。光学顕微鏡はこの虚像を拡大することで、大幅に鮮明化された像を形成します。
「マイクロスフィアは物体と接触しており、顕微鏡は画像を撮影するために物体表面より下に焦点を合わせる必要があります。これは通常の顕微鏡の使用法とは全く異なる方法です」とLi氏は電子メールで述べた。
光の回折限界によれば、目に見える最小の物体は光の波長の約半分です。可視光の場合、これは約200ナノメートルから700ナノメートルです。つまり、実際に目に見える最小の物体は約200ナノメートルです。これはかなり小さいですが、興味深い分子や細胞を分離するには十分ではありません。
この新しい方法により、リー氏と同僚は物体を50ナノメートルで観察できるようになったと彼は語った。
「これは明らかに理論上の光学画像化限界を突破した」と彼は語った。
また、電子顕微鏡に伴ういくつかの欠点も克服しています。TEMは電子ビームを物体に照射し、通過する際に相互作用させます。装置はこの相互作用の画像を作成し、拡大します。SEMは高エネルギー電子ビームで物体を走査し、試料と相互作用させます。この相互作用から、物体の地形や組成に関する情報が得られます。STMは物体のごく近くに電圧を印加し、電子が物体間の空間をトンネル状に通過できるようにします。この電流は、電圧の先端が物体上を移動するにつれて監視され、画像に変換されます。AFMは、基本的に機械的なプローブを用いて表面を触覚的に調べます。
光学蛍光顕微鏡は細胞を染色することで内部を見ることができますが、ウイルスを透過することはできません。染色液を注入することなく細胞を見ることができれば理想的です。さらに、電子顕微鏡法は化学反応を伴うため、その反応を考慮する必要があります。例えば昨年、IBMの研究者たちは分子の化学組成を明らかにするために原子間力顕微鏡（AFM）像を作成しましたが、一部の科学者は、この測定法自体が分子の構造に影響を与えているのではないかと疑問を呈しました。この測定法では分子を塩の結晶上に置く必要がありましたが、そもそも分子の形状が分かっていなければ、塩が形状に影響を与えるかどうかを知ることはできません。
何かを見て、自分の目で確かめることができたら素晴らしいですよね。この新しい技術によって、ウイルス、DNA、分子をリアルタイムで画像化できるようになります。
この手法は、回折限界のない光学近接場画像を用いるとLi氏は述べた。近接場画像は、使用される光学系の光波長の範囲内にある。遠距離場画像は、その距離を超える範囲にある。
「したがって、理論上、私たちが見ることができる小ささには限界がありません。それは、球体を使って画像をどれだけ増幅し、遠方まで中継できるかにかかっています」とリー氏は述べた。
チームの論文はNature Communications誌に掲載されている。
