Zkoumání mikrosvěta usnadní vědcům průkopnická technika mikroskopického zobrazení založená na transformaci geometrické fáze světla, která je výsledkem společného projektu Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a CEITEC Vysokého učení technického v Brně. Metoda transformace geometrické fáze světla rozšířila mikroskopii o nové možnosti kvantitavního fázového zobrazení živých buněk a poskytla měření nanostruktur dříve nedostupná pro optickou mikroskopii.
Metoda zviditelnění objektů mikrosvěta, které jen slabě pohlcují a rozptylují světlo, v minulosti způsobila revoluci v optické mikroskopii a byla oceněna Nobelovou cenou. „Poslední dvě desetiletí přinesla v této oblasti další významný pokrok v podobě kvantitativní fázové mikroskopie, která dává možnost transparentní objekty, jakými jsou například živé buňky a tkáně, výpočetně rekonstruovat a kvantifikovat jejich parametry důležité pro biologii,“ uvedl Zdeněk Bouchal z katedry optiky. Společný projekt PřF UP Olomouc a CEITEC VUT Brno proto cílil na vytvoření nové platformy kvantitativní mikroskopie, později nazvané geometricko-fázová mikroskopie. Metoda využívá nové principy a technologie ovládání světla. „Chtěli jsme tímto způsobem sloučit výhody a překonat omezení dosud užívaných zobrazovacích metod,“ podotkl Zdeněk Bouchal.
Vědci se zaměřili na fázi světla, která přenáší obrazovou informaci a současně hraje zásadní roli při řízení a tvarování světla. Přes živé buňky a jiné transparentní objekty totiž světlo prochází jinou rychlostí než přes okolní prostředí. „Tím je pozměněna optická dráha světla a modulována jeho fáze, obvykle nazývaná dynamická fáze. Stejného efektu je využito u tradičních optických elementů, které díky proměnné tloušťce světlo rozdílným způsobem zpomalují a tím světelné vlny tvarují,“ uvedl Zdeněk Bouchal.
Technologie vyvíjené v posledních letech dávají možnost světelné vlny formovat zcela odlišným způsobem. Slouží k tomu geometrická (Pancharatnam-Berryho) fáze, která nezávisí na optické dráze světla, ale mění se při transformaci jeho polarizačního stavu. „Ovládání světla pomocí geometrické fáze tak nevyžaduje objemovou optiku a je realizováno v tenkých strukturách s řadou dalších výhod. Tato strategie otevřela nové experimentální možnosti a stala se základem vyvinuté geometricko-fázové mikroskopie,“ řekl Zdeněk Bouchal.
Výsledky vědeckého projektu zaměřeného na geometricko-fázovou mikroskopii byly podle Zdeňka Bouchala úspěšně testovány v několika vědeckých oblastech. „V biologickém výzkumu geometricko-fázová mikroskopie prokázala svůj potenciál pokročilým, ale rutinně proveditelným neinvazivním fázovým zobrazením, které bylo realizováno ve snadno dostupném a mimořádně stabilním jednocestném systému,“ uvedl Radim Chmelík, spoluřešitel projektu z VUT v Brně. Experimenty byly zaměřeny na měření suché hmoty buněk, klasifikaci buněk na základě morfologických parametrů a vizualizaci dynamiky živých buněk. „Takové výsledky bylo dříve možné získat jen pomocí dvoucestných systémů, které jsou velmi citlivé na vnější vlivy a mají technicky složité a nákladné provedení,“ upozornil Radim Chmelík.
Provedené experimenty podle Zdeňka Bouchala ukázaly, že princip geometricko-fázové mikroskopie je předurčen pro optickou diagnostiku struktur vytvářených v polymerních kapalných krystalech a plasmonických metapovrších. Tyto struktury totiž disponují prostorově proměnnou anizotropií, která je potřebná pro modulaci geometrické fáze světla. „Za největší přínos pro tuto oblast považujeme měření optické odezvy multifunkčních komponent vytvářených v plasmonických metapovrších, která dosahovala citlivosti až k jednotlivým nanoanténám. To bylo dříve možné jen se skenovací elektronovou mikroskopií,“ řekl Petr Bouchal z VUT, který prováděl experimenty.
Univerzálnost a mezioborový potenciál geometricko-fázové mikroskopie potvrdila její aplikace při studiu přírodních fotonických struktur. V provedeném experimentu se podařilo s vysokým prostorovým rozlišením rekonstruovat kutikulu brouků skarabeů, známých polarizačně selektivním odrazem světla. Experimentální data objasnila prostorovou strukturovanost barev v mikroskopických obrazech těchto brouků. „Nás samotné i odbornou veřejnost překvapilo zjištění, že jednotlivé buňky kutikuly vytvářejí tisíce téměř dokonalých světelných svazků mikrometrových rozměrů, známých jako nedifrakční besselovské svazky. Takové světelné svazky jsou zkoumány v optických laboratořích a náš výzkum dokumentoval jejich první výskyt v přírodě,“ podotkl Petr Bouchal.
Společný výzkumný tým byl tvořen čtyřmi vědeckými pracovníky, třemi postdoktorandy a pěti doktorandy. Výsledky vědecké práce olomouckých a brněnských badatelů byly prezentovány 10 publikacemi v impaktovaných časopisech zahrnujících Nano Letters, Nanoscale, ACS Photonics nebo Scientific Reports. Systém geometricko-fázové mikroskopie vyvinuté v projektu podpořeném GA ČR je patentově chráněn v sedmi zemích světa.
Autor: Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci