Иркутский ученый предложил способ сделать одиночные молекулы всех ориентаций одинаково яркими для микроскопов исследователей
Степан Бойченко, Иркутский филиал Института лазерной физики СО РАН
Еще примерно полвека назад считалось, что изучение мира на уровне одиночных молекул, из которых состоит вещество, – задача едва ли выполнимая. Однако с развитием лазерной физики, появлением высокочувствительных детекторов и накоплением знаний о спектрах люминесценции вещества были проведен ы первые успешные эксперименты по регистрации свечения одиночных молекул. С этого момента, то есть примерно с начала 1990-х годов, исследования в данной сфере стали активно развиваться. Сегодня они представляют собой широкопрофильное бурно развивающееся направление, получившее название спектромикроскопия одиночных молекул.
Помимо безусловной фундаментальной ценности, спектромикроскопия одиночных молекул представляет собой мощный исследовательский инструмент для огромного числа практических разработок в биомедицине, материаловедении, нанотехнологиях, квантовой информатике, химии полимеров и ряде других областей. Например, с помощью одиночной молекулы можно пометить вирус и посмотреть, каким образом он проникает внутрь клетки, отследить траекторию его движения и даже понять, каким образом он проникает в клеточную жидкость и как поражает ядро клетки. И это лишь один из многих вариантов использования технологии.
О том, как специалисты наблюдают за одиночными молекулами в веществе и с какими сложностями сталкиваются, рассказывает Степан Бойченко – молодой ученый из Иркутского филиала Института лазерной физики (ИФ ИЛФ) СО РАН:
– Экспериментальные образцы, используемые в физико-химических исследованиях, готовятся следующим образом: на тонкое покровное стекло наносится тонкий слой полимера, в который предварительно были внедрены молекулы люминесцирующего красителя . Концентрация красителя подбирается таким образом, чтобы количество примесных молекул было достаточно малым для их наблюдения – расстояние между ними составляет не менее половины микрона. Размер самой молекулы не превышает одного нанометра.
Освещая такой экспериментальный образец сильносфокусированным лазерным лучом (размер области, в которую фокусируется луч, составляет порядка половины микрона; эта область называется фокальной), ученые заставляют молекулы флуоресцировать и регистрируют свечение объективом микроскопа. Для построения изображения молекулы, ее при помощи прецизионного пьезоэлектрического сканера перемещают (вместе с образцом) от точки к точке в фокальной области . Но здесь возникает непредвиденная проблема: каждая одиночная молекула обладает своей собственной ориентацией. В зависимости от направления светового вектора лазерного луча, «по-своему» ориентированная молекула может быть видна очень хорошо, чуть хуже, значительно хуже и не видна совсем. Это существенно ограничивает возможности исследователей в спектромикроскопии одиночных молекул.
– Если направление вектора электрической напряженности светового поля совпадает с направлением молекулы, мы ее видим хорошо, – комментирует Степан Бойченко. – Если же вектор перпендикулярен, то молекула не видна. Если вектор напряженности направлен под углом к направлению одиночной молекулы, то вариант видимости будет промежуточным.
Слева – изображение молекулы, направление которой лежит в плоскости образца; в центре – изображение молекулы, направленной перпендикулярно плоскости образца; справа – изображение молекулы, направление которой имеет наклон в 50° по отношению к плоскости образца. В случае использования линейно-поляризованного лазерного луча, первая молекула была бы видна хорошо (изображение имело бы форму пятна), вторая была бы практически не видна, третья – видна плохо. Изображения из архива Степана Бойченко.
Эффективность наблюдений зависит от поляризации фокусируемого луча: линейной, циркулярной, эллиптической, радиальной или азимутальн ой. Если при использовании линейно-поляризованного луча, молекулы некоторых ориентаций просто окажутся невидимыми, то в случае применения радиально-поляризованного луча будут видны все молекулы, однако яркость их изображений будет сильно зависеть от ориентации, что существенно затрудняет их наблюдение. Молодой ученый разработал свой способ решения этой проблемы.
– Мною было предложено использовать эллиптически поляризованный цилиндрический векторный пучок, представляющий собой комбинацию радиально- и азимутально-поляризованного, – объясняет он. – Это будет цилиндрически симметричный по поляризации пучок с эллиптической поляризацией в каждой точке. В ближайшее время планируется опробовать эту схему экспериментально. Ожидается, что мы увидим все одиночные молекулы, и изображения будут одинаково яркими.
О своем ноу-хау Степан Бойченко рассказал на крупной международной конференции ICONO / LAT 2016, объединяющей специалистов в области квантовой электроники, нелинейной и квантовой оптики, квантовой информации, спектроскопии одиночных молекул, плазмоники и нанофотоники, биофотоники, лазерной медицины. ICONO / LAT традиционно проводится раз в три года в разных городах и собирает ученых из многих стран мира. В этом году встреча проходила в Минске с 26 по 30 сентября. Главными организаторами выступили Национальная академия наук Беларуси, Российская академия наук и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Были представлены доклады научных сотрудников и лекции ведущих ученых из университетов США, Китая, Австралии, стран СНГ, Европы и др.
Поездка иркутянина стала возможной благодаря финансовой поддержке, оказанной Частным благотворительным Фондом Михаила Прохорова в рамках конкурса «Академическая мобильность». Программа подразумевает финансирование тревел-грантов для участия в научных конференциях и семинарах, работы в архивах и библиотеках, стажировок в научных учреждениях страны и за рубежом для студентов старших курсов, аспирантов и молодых ученых, не имеющих ученой степени.
Пресс-служба ИНЦ СО РАН
(3952) 45-31-34
8-902-178-25-04