Por meio milênio, as pessoas tentaram aprimorar a visão humana por meios técnicos. Embora o olho humano seja capaz de reconhecer características em uma ampla gama de tamanhos, atinge seus limites quando perscruta objetos em distâncias gigantes ou no micro e nano mundo. Os pesquisadores do projeto ChipScope, financiado pela UE, estão agora desenvolvendo uma estratégia completamente nova para a microscopia óptica.

O microscópio de luz convencional, ainda equipamento padrão em laboratórios, está subjacente às leis fundamentais da óptica. Assim, a resolução é limitada pela difração ao chamado "limite de Abbe" - características estruturais menores que um mínimo de 200 nm não podem ser resolvidas por este tipo de microscópio.

Até aqui, todas as tecnologias para ir além do limite do Abbe dependem de configurações complexas, com componentes volumosos e infraestrutura laboratorial avançada. Mesmo um microscópio de luz convencional, na maioria das configurações, não é adequado como um dispositivo móvel para fazer pesquisas no campo ou em áreas remotas. No projeto ChipScope financiado pela UE, uma estratégia completamente nova para a microscopia óptica é explorada. Na microscopia óptica clássica, a área de amostra analisada é iluminada simultaneamente, coletar a luz que é espalhada de cada ponto com um detector seletivo de área, por exemplo. o olho humano ou o sensor de uma câmera.

Na ideia do ChipScope, em vez disso, uma fonte de luz estruturada com minúsculos, elementos endereçáveis ​​individualmente são utilizados. Conforme ilustrado na figura, o espécime está localizado no topo desta fonte de luz, nas proximidades. Sempre que emissores únicos são ativados, a propagação da luz depende da estrutura espacial da amostra, muito semelhante ao que é conhecido como imagem de sombra no mundo macroscópico. Para obter uma imagem, a quantidade total de luz que é transmitida através da região da amostra é detectada por um detector, ativar um elemento de luz por vez e, assim, varrer o espaço de amostra. Se os elementos leves têm tamanhos no regime nanométrico e a amostra está em contato próximo com eles, o campo óptico próximo é relevante e a imagem de super resolução pode se tornar possível com uma configuração baseada em chip.

Para realizar essa ideia alternativa, um monte de tecnologia inovadora é necessária. A fonte de luz estruturada é realizada por minúsculos diodos emissores de luz (LEDs), que são desenvolvidos na Universidade de Tecnologia de Braunschweig, Alemanha. Devido às suas características superiores em comparação com outros sistemas de iluminação, por exemplo. a lâmpada clássica ou emissores à base de halogênio, Os LEDs conquistaram o mercado para aplicações de iluminação geral nas últimas décadas. Contudo, até o ponto presente, nenhum arranjo de LED estruturado com pixels individualmente endereçáveis ​​até o regime sub-µm está disponível comercialmente.

Esta tarefa é da responsabilidade da TU Braunschweig no âmbito do projeto ChipScope. Os primeiros arranjos de LED com tamanhos de pixel de até 1 µm já foram demonstrados pelos pesquisadores, conforme ilustrado na figura. Eles são baseados em nitreto de gálio (GaN), um material semicondutor que é comumente usado para LEDs azuis e brancos. A estruturação controlada de tais LEDs até o regime de sub-µm é extremamente desafiadora. É conduzido por litografia de feixe de elétrons e foto, onde as estruturas no semicondutor são definidas com alta precisão por máscaras ópticas de sombra ou feixes de elétrons focalizados.

Como um outro componente, detectores de luz altamente sensíveis são necessários para o protótipo do microscópio. Aqui, O grupo do Professor A. Dieguez na Universidade de Barcelona desenvolve os chamados detectores de avalanche de fóton único (SPADs), que podem detectar intensidades de luz muito baixas até fótons únicos. Os primeiros testes com esses detectores integrados em um protótipo do microscópio ChipScope já foram realizados e mostraram resultados promissores.

Além disso, uma forma de aproximar as amostras da fonte de luz estruturada é vital para a operação adequada do microscópio. Uma tecnologia estabelecida para realizar isso utiliza canais microfluídicos, onde um sistema fino de canais é estruturado em uma matriz de polímero. Usando bombas de alta precisão, um microvolume líquido é conduzido através desse sistema e carrega a amostra até a posição alvo.