Микроскопия полного внутреннего отражения - Total internal reflection microscopy

Рассеяние затухающего поля на пробной частице.

Микроскопия полного внутреннего отражения это специализированный метод оптического изображения для отслеживания и обнаружения объектов с использованием света, рассеянного от мимолетное поле в непосредственной близости от диэлектрик интерфейс. Его преимущества - высокая соотношение сигнал шум и высокое пространственное разрешение по вертикали.

Фон

Полное внутреннее отражение света возникает на границе раздела материалов с разными показателями преломления при углах падения, превышающих критический угол, ${ displaystyle theta _ {c}}$, куда

${ displaystyle theta _ {c} = sin ^ {- 1} (n_ {2} / n_ {1})}$

и ${ displaystyle n_ {1}}$ - индекс падающей среды и ${ displaystyle n_ {2}}$ индекс среды передачи и ${ displaystyle theta _ {c}}$ измеряется от нормали к интерфейсу.

В условиях полного внутреннего отражения электромагнитное поле в передающей среде принимает вид мимолетная волна, интенсивность которого ${ displaystyle I (z)}$ экспоненциально затухает с расстоянием от границы раздела, так что,

${ displaystyle I (z) = I_ {0} e ^ {- beta z}}$

с ${ displaystyle beta = { frac {4 pi} { lambda}} { sqrt {(n_ {1} sin ( theta)) ^ {2} -n_ {2} ^ {2}}} }$. Для практических целей в качестве среды передачи часто выбирают жидкость - обычно воду - в которую можно погрузить микроскопический объект. Ожидается, что объект, поднесенный близко к границе раздела, будет рассеивать свет пропорционально напряженности поля на его высоте, ${ displaystyle z}$.^[1] Поскольку глубина проникновения затухающего поля составляет порядка сотен нанометров, этот метод является одним из самых чувствительных для отслеживания перемещений в направлении, перпендикулярном поверхности.^[2]

Приложения

Изображения

Тонкая область возбуждения затухающего поля позволяет получить широкопольное изображение выбранной области образца с высоким соотношение сигнал шум. Однако вместо того, чтобы полагаться на оптическое рассеяние, в образец часто вводят флуорофоры для более избирательной визуализации в биологических приложениях. Этот популярный метод визуализации известен как Флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения.

Отслеживание частиц

Используя откалиброванную затухающую волну,^[1] положение коллоидной частицы или микроскопического зонда можно отслеживать с нанометровой точностью, отслеживая интенсивность света, рассеянного через нарушенное полное внутреннее отражение. Затем можно получить подробную динамику зонда или частицы в условиях теплового равновесия или неравновесия.

Например, собирая не зависящее от времени распределение вероятности положения зондирующей частицы в тепловом равновесии и инвертируя Распределение Максвелла – Больцмана,

${ displaystyle p (z) = { frac {1} {Z}} e ^ {- { frac {V (z)} {kT}}}}$,

куда ${ displaystyle Z}$ это функция распределения, и ${ displaystyle k}$ то Постоянная Больцмана, можно получить профиль потенциальной энергии взаимодействия частицы с поверхностью.^[3] Таким образом могут быть обнаружены силы субпиконьютона.^[4]

С другой стороны, диффузионная динамика клетки или коллоида может быть выведена из их временных рядов положения, полученных с помощью TIRM или другого метода. отслеживание частиц метод. Эффекты гидродинамической связи, приводящие к уменьшению частиц распространение в окрестности твердой границы раздела.^[5]

Смотрите также

Флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения

Неувядающая волна

Полное внутреннее отражение

Темнопольная микроскопия

Рекомендации