Las técnicas de nanoimagen óptica encuentran inmensas aplicaciones en la nanotecnología para visualizar defectos a escala nanométrica en muestras. Sin embargo, debido a las distorsiones de la señal resultantes de las derivas mecánicas y térmicas inevitables del sistema a lo largo del tiempo, la obtención de imágenes de muestras de gran escala micrométrica con resolución a nanoescala es un desafío.
Crédito de la foto: Universidad de Tokushima
Ahora, investigadores de Japón han desarrollado un sistema de nanoimagen ultraestable que detecta con éxito defectos únicos a nanoescala que no se observan en la nanoimagen convencional en muestras de disulfuro de tungsteno de tamaño micrométrico, ampliando el alcance de la técnica a muestras biológicas.
La espectroscopia Raman, una técnica de microscopía óptica, es una técnica de análisis químico no destructivo que proporciona información completa de huellas dactilares moleculares sobre la estructura química, la fase, la cristalinidad y las interacciones moleculares. La técnica se basa en la interacción de la luz con enlaces químicos dentro de un material. Sin embargo, debido a que la luz es una onda, los microscopios ópticos no pueden resolver distancias menores que la mitad de la longitud de onda de la luz que incide sobre la muestra. Esto se conoce como el «límite de difracción», que impide que la espectroscopia Raman y otras técnicas de microscopía óptica alcancen resoluciones a nanoescala.
Para mejorar la resolución espacial, se inventó otra técnica llamada espectroscopia Raman mejorada con punta (TERS), que puede lograr resoluciones espaciales por debajo del límite de difracción. En TERS, una punta metálica de tamaño nanométrico confina la luz a un volumen de tamaño nanométrico directamente sobre la muestra. La luz interactúa con las moléculas de la muestra en la superficie y la imagen se realiza analizando la luz dispersada.
TERS se ha utilizado con éxito para analizar composiciones químicas y defectos superficiales en muestras a resoluciones de nanoescala. Sin embargo, durante la obtención de imágenes, la punta nanométrica tiende a desviarse debido a las variaciones inevitables de temperatura y vibración en condiciones ambientales, lo que provoca el desenfoque de la muestra o la desalineación entre la punta nanométrica y el punto focal, o ambas cosas. Esto provoca distorsiones significativas en las señales dispersas. Para evitar esto, las imágenes TERS deben completarse dentro de una ventana de tiempo de 30 minutos, una limitación que impide la obtención de imágenes de muestras de más de 1 µm.2 con resolución a nanoescala.
En un nuevo estudio publicado en avances científicos, un equipo de investigación de Japón dirigido por el Dr. Ryo Kato, profesor asistente designado en el Instituto de Fotónica Post-LED de la Universidad de Tokushima, y los profesores asociados Takayuki Umakoshi y el profesor Prabhat Verma de la Universidad de Osaka, ahora, por primera vez, han desarrollado un sistema TERS estable que no se basa en un la ventana de imagen corta es limitada. El equipo demostró su capacidad al generar imágenes con éxito de defectos a nanoescala durante un período de 6 horas en un disulfuro de tungsteno bidimensional (2D) de tamaño micrométrico (WS2) Película: un material comúnmente utilizado en dispositivos optoelectrónicos. “Nuestro nuevo sistema óptico de nanoimagen permite la caracterización del análisis de defectos en WS a gran escala2 Capas con una alta resolución de píxeles de hasta 10 nm sin pérdida significativa de señal óptica”, dice el dr. gato.
Para compensar las desviaciones durante períodos de tiempo más largos, el equipo desarrolló un sistema de retroalimentación que rastrea el cambio de la fuente de luz enfocada y reajusta la posición del plano focal en consecuencia. La posición focal de la fuente de luz se rastrea midiendo el desplazamiento de un haz de guía láser reflejado dirigido al microscopio. Luego, el enfoque se estabiliza mediante un escáner de lente piezoeléctrico cuando el sistema detecta una desviación o un cambio en la posición de enfoque de la fuente de luz.
Para estabilizar la nanopunta, el equipo diseñó un sistema de compensación de deriva de punta asistido por escaneo láser. En este caso, los escáneres galvano capturan imágenes del punto láser alrededor de la nanopunta metálica a medida que se acerca a la superficie de la muestra. Esta imagen aparece como un punto brillante que indica la posición de la nanopunta. Después de realizar la medición en un píxel específico, se vuelve a tomar la imagen del punto láser alrededor de la nanopunta. Luego, el punto láser se desplaza para que coincida con la nueva posición de la nanopunta en esta imagen. El proceso continúa durante todo el proceso de creación de imágenes, lo que garantiza que la nanopunta permanezca en una posición constante.
Al implementar estas correcciones, el equipo pudo generar una imagen de una hoja 2D de WS2 (Figura 1) con un área de escaneo de 1 × 4 µm2. Con una ventana de tiempo de generación de imágenes 12 veces más larga que las imágenes convencionales, pudieron detectar defectos únicos que las imágenes TER convencionales no detectaron. También demostraron que la densidad de defectos en un WS más grande2 La muestra (comparable a las escalas del instrumento) fue mayor que la informada para muestras más pequeñas.
El estudio podría abrir puertas a imágenes precisas y de alta resolución no solo de dispositivos optoelectrónicos sino también de muestras biológicas. “Nuestra nueva microscopía TERS compensada por deriva no solo podría evaluar mejor las propiedades de la superficie de los materiales del dispositivo, sino que también nos permitiría estudiar procesos biológicos como el mecanismo subyacente al desarrollo de enfermedades. Esto, a su vez, podría contribuir al desarrollo de nuevos métodos clínicos y terapias”. especula el dr. umakoshi ¡Estas son ciertamente algunas formas emocionantes de pensar!
Fuente: https://www.tokushima-u.ac.jp/
