میکروسکوپی نوری روبشی میدان - نزدیک

بررسی فیزیکی سیستمها یا زیر سیستمهای زیستی، با انگیزه‌های متعدد و بسیار متفاوتی انجام می‌شود. برای درک این مطلب که چه مسائل مشخصی، چرا، و در کجا در حوزه زیست فیزیک در دست بررسی هستند، خوب است بدانیم که چه اختلاف فاحشی در تأکید روی مطالب میان جماعت نا منسجم که مثلاً «زیست فیزیک کا» هستند وجود دارد. در یک طرف ساخت و پرداخت و کار برد شیوه‌های اندازه گیری فیزیکی برای به دست آوردن معیارهای کیفی و کمی جدید از متغیرهایی است که قبلاً از جانب زیست شناسان و شیمی دانها مهم شناخته شده بود. پژوهش در این طرف طیف با فیزیک پزشکی، فیزیک کار بردی، و بلور شناسی، فصل مشترک پیدا می‌کند. طرف دیگر، مولکولهای زیستی به عنوان نمونه‌ای پیچیده و فریبنده از فیزیک و شیمی ماده چگال مورد بررسی قرا می‌گیرد. مطالعاتی از این دست از راه سنت و شیوه‌ها، با فیزیک شیمی و فیزیک حالت جامد رابطه نزدیکی دارند. و در یک طرف دیگر خودِ فرایندِ زیستی در مرکز توجه قرار دارد. به مثال زیر توجه کنید:
اثرهای پراش، میکروسکوپی نوری را محدود می‌کند؛ نمی‌توان نور را در ناحیه‌ای کوچکتر از تقریباً نصف طول موج آن کانونی کرد. این حد در مورد نور مرئی تقریباً دو هزار و پانصد آنگستروم است. اما در چند سال گذشته رهیافتی به نام تصویر گیری میدان – نزدیک بر این محدودیت فیزیکی فائق آمده است. این تصویر گیری فرایندی است که پیش رفتهای فن آوری میکرو ساختی و میکرو جنبشی را در ترکیب با آشکار سازی چند کاناله با تراز نوری پایین (همان نوع آشکار سازی که دارد در طیف نمایی انقلابی به پا می‌کند) به کار می‌گیرد. حاصل کار یک میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک است. این میکروسکوپ نوری حساس از لحاظ طیفی دارای تفکیکی است که هم اکنون به تواناییهای تفکیک میکروسکوپ روبشی الکترونی نزدیک شده است، اما بدون نیاز به محیطهای خلأ، نمونه ویرانگر، یا اثرات زیان بار تابش یوننده، به ویژه روی نمونه‌های زنده زیست شناختی.
اشن و نیکولز پیشتر از سه دهه قبل امکان پذیری چنین رهیافتی را در گستره میکرو موج نشان دادند. آنها میکرو موجهایی با طول موج سه سانتی متر را که از یک روزنه فلزی به قطر یک و نیم ساتی متر عبور کرده بود بر یک توری خطی آلومینیومی واقع بر روی شیشه تاباندند، و میکرو موجهایی را که هنگام جا به جا کردن توری نسبت به روزنه، باز تابیده می‌شد آشکار سازی کردند. نتیجه برای یک روبش تک بعدی، نوسانی دوره‌ای بود که یک توری با پهنای خط 5ر0 میلی متری را با تفکیکی متناظر با یک شصتم طول موج، به وضوح تفکیک می‌کرد. به علاوه، هم چنین روبشی دو بعدی از حروف با پهنای خط دو میلیمتری با استفاده از همان میکرو موجها و تفکیکی برابر با یک بیستم طول موج به دست آوردند.
گسترش این تکنولوژی از نظام یک میکرو موج به نظام نور مرئی کار ساده‌ای نبود. در این گسترش ساختن روزنه‌های نانو متری کاملاً مشخص در لایه‌های فلزی نازک اما کدر از مسائل حیاتی بود که با استفاده از شیوه‌هایی که در دانشگاه کرنل «در مرکز پژوهشها و منابع ملی در مورد ساختارهای زیر میکرونی» تکامل یافته بود انجام پذیرفت.
این کار با قرار دادن لایه‌ای از پلیمر بر روی یک چیپ سیلیسیومی انجام شد. یک باریکه الکترون از یک میکروسکوپ روبشی الکترونی ترا گسیلی بر این پلیمر تابیده و سپس ظاهر شد. سپس در نواحی تابش دیده سیلیسیوم با استفاده از سونش یونی واکنش پذیر، سوراخهایی ایجاد کردند. سپس این حفره‌ها را با پوشش فلزی پوشاندند. داده‌های به دست آمده نتایج امید بخشی را برای کارایی ترا گسیل نور به دست داده است. این نشانه خوبی است برای تفکیک نهایی یک میکروسکوپ که بیشتر از آن که به طول موج وابسته باشد به اندازه روزنه وابسته است.
یکی از مسائل این نوع میکروسکوپها عمق میدان است. این تفکیک بسیار بالا تنها آن گاه به دست می‌آید که فاصله روزنه تا شیء بسیار کوتاه، یعنی کسری از طول موج، باشد. ابعاد دقیق این گستره میدان – نزدیک، برای نور مرئی هنوز هم دقیقاً تعیین نشده است. البته یک راه افزایش ابعاد میدان نزدیک، افزایش طول موج تا طول موج نور قرمز است. روش دیگر، ساختن روزنه‌ای است که بتوان آن را در یک مدار در جایگاه قرار داد با یک پیل که در شیاری قرار می‌گیرد و باید تصویر شود. گروه‌های پژوهشی کرنا و I B M (در زوریخ) روش اخیر را با شیوه‌های متفاوتی اتخاذ کردند. گروه کرنل روزنه‌ای به قطر 500 تا 1000 آنگستروم را در نوک پی‌پتهای شیشه‌ای که به نحو مخصوصی کشیده و فلز اندود شده‌اند ایجاد کرد.
موفقیت این روش نباید شگفت آور باشد. بنا به گفته پژوهشگران I B M، پزشکان با به کار بردن گوشی، هر روزه به چنین تفکیکی دست می‌یابند. در این جا می‌توان از راه روبش روزنه‌ای روی بدن و به کار بردن امواج صوتی با طول چندین متر، جسمی هم چون یک قلب را درون محدوده‌ای 4 سانتی متری تعیین موضع کرد، و بدین وسیله تفکیکی فضایی متناظر با تقریباً یک صدم طول موج به دست آورد. محتمل به نظر می‌رسد که این مانسته نوری گوشی در زیست شناسی و فن آوری همان اثر مهمی را داشته باشد که گوشی در پزشکی داشته است.