Gedurende een half millennium, mensen hebben geprobeerd de menselijke visie met technische middelen te verbeteren. Hoewel het menselijk oog in staat is om kenmerken over een breed scala van groottes te herkennen, het bereikt zijn grenzen bij het turen naar objecten over grote afstanden of in de micro- en nanowereld. Onderzoekers van het door de EU gefinancierde project ChipScope ontwikkelen nu een geheel nieuwe strategie voor optische microscopie.

De conventionele lichtmicroscoop, nog steeds standaarduitrusting in laboratoria, ten grondslag ligt aan de fundamentele wetten van de optica. Dus, resolutie wordt door diffractie beperkt tot de zogenaamde "Abbe-limiet" - structurele kenmerken kleiner dan minimaal 200 nm kunnen niet worden opgelost door dit soort microscoop.

Tot dusver, alle technologieën om de Abbe-limiet te overschrijden, zijn afhankelijk van complexe instellingen, met omvangrijke componenten en geavanceerde laboratoriuminfrastructuur. Zelfs een conventionele lichtmicroscoop, in de meeste configuraties, is niet geschikt als mobiele gadget om in het veld of in afgelegen gebieden onderzoek te doen. In het door de EU gefinancierde ChipScope-project, een volledig nieuwe strategie voor optische microscopie wordt onderzocht. Bij klassieke optische microscopie wordt het geanalyseerde monstergebied gelijktijdig verlicht, het verzamelen van het licht dat vanaf elk punt wordt verstrooid met een gebiedsselectieve detector, bijv. het menselijk oog of de sensor van een camera.

In plaats daarvan, in het ChipScope-idee, een gestructureerde lichtbron met kleine, afzonderlijk adresseerbare elementen wordt gebruikt. Zoals afgebeeld in de figuur, het exemplaar bevindt zich bovenop deze lichtbron, in de nabije omgeving. Telkens wanneer afzonderlijke zenders worden geactiveerd, de lichtvoortplanting hangt af van de ruimtelijke structuur van het monster, zeer vergelijkbaar met wat bekend staat als schaduwbeeldvorming in de macroscopische wereld. Om een ​​beeld te krijgen, de totale hoeveelheid licht die door het monstergebied wordt doorgelaten, wordt gedetecteerd door een detector, het activeren van één lichtelement per keer en daardoor scannen over de monsterruimte. Als de lichte elementen afmetingen hebben in het nanometerregime en het monster in nauw contact met hen staat, het optische nabije veld is van belang en beeldvorming met superresolutie kan mogelijk worden met een op chips gebaseerde opstelling.

Om dit alternatieve idee te realiseren, er is een heleboel innovatieve technologie nodig. De gestructureerde lichtbron wordt gerealiseerd door kleine lichtgevende diodes (LED's), die zijn ontwikkeld aan de Technische Universiteit in Braunschweig, Duitsland. Vanwege hun superieure eigenschappen in vergelijking met andere verlichtingssystemen, bijv. de klassieke gloeilamp of op halogeen gebaseerde stralers, LED's hebben de afgelopen decennia de markt voor algemene verlichtingstoepassingen veroverd. Echter, tot het huidige punt, er zijn geen gestructureerde LED-arrays met individueel adresseerbare pixels tot aan het sub-µm-regime in de handel verkrijgbaar.

Deze taak behoort tot de verantwoordelijkheid van TU Braunschweig in het kader van het ChipScope-project. Eerste LED-arrays met pixelgroottes tot 1 µm zijn al door de onderzoekers gedemonstreerd, zoals afgebeeld in de figuur. Ze zijn gebaseerd op galliumnitride (GaN), een halfgeleidermateriaal dat veel wordt gebruikt voor blauwe en witte LED's. Gecontroleerde structurering van dergelijke LED's tot aan het sub-µm regime is een enorme uitdaging. Het wordt uitgevoerd door foto- en elektronenstraallithografie, waar structuren in de halfgeleider met hoge precisie worden gedefinieerd door optische schaduwmaskers of gefocusseerde elektronenbundels.

Als verder onderdeel, Voor het prototype van de microscoop zijn zeer gevoelige lichtdetectoren vereist. Hier, De groep van Professor A. Dieguez aan de Universiteit van Barcelona ontwikkelt zogenaamde single-photon lawinedetectoren (SPAD's) die zeer lage lichtintensiteiten kunnen detecteren tot op enkele fotonen. De eerste tests met die detectoren geïntegreerd in een prototype van de ChipScope-microscoop zijn al uitgevoerd en hebben veelbelovende resultaten opgeleverd.

Bovendien, een manier om specimens in de buurt van de gestructureerde lichtbron te brengen is van vitaal belang voor een goede werking van de microscoop. Een gevestigde technologie om dit te realiseren maakt gebruik van microfluïdische kanalen, waar een fijn systeem van kanalen is gestructureerd in een polymeermatrix. Met behulp van zeer nauwkeurige pompen, een microvolume vloeistof wordt door dit systeem gedreven en voert het monster mee naar de doelpositie.