Микроскопия полного внутреннего отражения

Микроскопия полного внутреннего отражения — это специализированный метод оптической визуализации для отслеживания и обнаружения объектов, использующий свет, рассеянный затухающим полем вблизи границы раздела диэлектриков . Его преимуществами являются высокое соотношение сигнал/шум и высокое пространственное разрешение по вертикали.

Фон

Полное внутреннее отражение света происходит на границе раздела материалов с разными показателями преломления при углах падения, превышающих критический угол . $\theta _{c}$ , где

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

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

В условиях полного внутреннего отражения электромагнитное поле в передающей среде принимает форму затухающей волны , интенсивность которой $I(z)$ экспоненциально затухает с расстоянием от границы раздела, так что

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

с $\beta ={\frac {4\pi }{\lambda }}{\sqrt {(n_{1}\sin(\theta ))^{2}-n_{2}^{2}}}$ . В практических целях 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, пропорциональный интенсивности поля на его высоте: $z$ . ^{[ 1 ]} Поскольку глубина проникновения исчезающего поля составляет порядка сотен нанометров, этот метод является одним из наиболее чувствительных для отслеживания смещений в направлении, перпендикулярном поверхности. ^{[ 2 ]}

Приложения

Визуализация

Тонкая область возбуждения затухающего поля позволяет получать изображения выбранной области образца в широком поле с высоким соотношением 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 калиброванную затухающую волну, ^{[ 1 ]} Положение коллоидной частицы или микроскопического зонда можно отслеживать с нанометровой точностью, отслеживая интенсивность света, рассеянного посредством нарушенного полного внутреннего отражения . Затем можно получить подробную динамику зонда или частицы как в условиях теплового равновесия, так и в неравновесных условиях.

Например, собирая независимое от времени распределение вероятности положения пробной частицы в тепловом равновесии и инвертируя распределение Максвелла – Больцмана ,

p(z)={\frac {1}{Z}}e^{-{\frac {V(z)}{kT}}}

,

где $Z$ является статистической суммой , а $k$ константы Больцмана можно получить профиль потенциальной энергии взаимодействия частицы с поверхностью. ^{[ 3 ]} Таким образом, могут быть обнаружены силы субпиконьютона. ^{[ 4 ]}

С другой стороны, диффузионную динамику клетки или коллоида можно вывести из временных рядов ее положения, полученных с помощью TIRM или другого метода отслеживания частиц . частиц Таким образом, были изучены эффекты гидродинамического взаимодействия, приводящие к уменьшению диффузии вблизи границы твердого тела. ^{[ 5 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Прив, Деннис К. и Насер А. Фрей. «Микроскопия полного внутреннего отражения: количественный инструмент для измерения коллоидных сил». Ленгмюр 6.2 (1990): 396–403.
^ Прив, Деннис К. «Измерение коллоидных сил с помощью TIRM». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки 82.1 (1999): 93-125.
^ Уолц, Джон Ю. «Измерение взаимодействия частиц с помощью микроскопии полного внутреннего отражения». Текущее мнение в области науки о коллоидах и интерфейсах 2.6 (1997): 600-606.
^ Фликер, Скотт Г., Дженнифер Л. Типа и Стейси Г. Байк. «Количественная оценка двухслойного отталкивания между коллоидной сферой и стеклянной пластинкой с использованием микроскопии полного внутреннего отражения». Журнал коллоидной и интерфейсной науки 158.2 (1993): 317-325.
^ Беван, Майкл А. и Деннис К. Прив. «Затрудненная диффузия коллоидных частиц очень близко к стене: еще раз». Журнал химической физики 113.3 (2000): 1228-1236.

[r1-1] Перейти обратно: ^а ^б Прив, Деннис К. и Насер А. Фрей. «Микроскопия полного внутреннего отражения: количественный инструмент для измерения коллоидных сил». Ленгмюр 6.2 (1990): 396–403.

[2] Прив, Деннис К. «Измерение коллоидных сил с помощью TIRM». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки 82.1 (1999): 93-125.

[3] Уолц, Джон Ю. «Измерение взаимодействия частиц с помощью микроскопии полного внутреннего отражения». Текущее мнение в области науки о коллоидах и интерфейсах 2.6 (1997): 600-606.

[4] Фликер, Скотт Г., Дженнифер Л. Типа и Стейси Г. Байк. «Количественная оценка двухслойного отталкивания между коллоидной сферой и стеклянной пластинкой с использованием микроскопии полного внутреннего отражения». Журнал коллоидной и интерфейсной науки 158.2 (1993): 317-325.

[5] Беван, Майкл А. и Деннис К. Прив. «Затрудненная диффузия коллоидных частиц очень близко к стене: еще раз». Журнал химической физики 113.3 (2000): 1228-1236.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]