חוקרים ישראלים שילבו שיטות מתקדמות של מיקרוסקופיה עם תכונות קוונטיות של האור ופיתחו שיטה לעקוף את חוקי הפיזיקה המגבילים את הרזולוציה

חוקרים ישראלים פיתחו שיטה מיקרוסקופית פורצת דרך, והצליחו להכפיל את ההפרדה (רזולוציה) של מיקרוסקופים אופטיים באמצעות שימוש בתכונות הקוונטיות של האור. לשיטה עשויים להיות שימושים רבים במדעי החיים. את המחקר המתפרסם בכתב העת Nature Photonics הובילו מדענים מהמחלקה למערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בראשות פרופ' ירון זילברברג ופרופ' דן אורון, בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת ורשה בפולין.

גבול הרזולוציה

ארנסט קרל אבֶּה (Abbe) היה פיזיקאי, מהנדס ואחד מאבות האופטיקה המודרנית. הוא נולד באייזנך שבמרכז גרמניה באמצע המאה ה-19 והתחנך באוניברסיטאות יינה וגטינגן שהיו אז מן המרכזים המדעיים החשובים ביותר בעולם. אבֶּה היה ממקימי חברת העדשות Zeiss שפועלת עד היום בהצלחה רבה, וכן ניסח את אחד מהחוקים החשובים ביותר לתיאור התנהגותן של מערכות אופטיות: גבול הדיפרקציה (הרזולוציה).

כאשר מביטים דרך זכוכית מגדלת על גביש סוכר, אנו משתמשים במערכת אופטית פשוטה – עדשה יחידה – כדי לייצר תמונה ולראות פרטים שגודלם קטן ממילימטר. מיקרוסקופ מעבדתי, המכיל לפחות שתי עדשות, מייצר תמונה גדולה פי כמה מאות. הוא מאפשר לנו לראות פרטים הנמדדים באלפיות המילימטר, כמו למשל תאי דם. איפה התהליך הזה נעצר? האם בעזרת מספיק עדשות, או עם עדשות גדולות מאוד שיאספו הרבה מאוד אור, נוכל לראות מולקולות? אטומים בודדים? אולי אפילו את מרכיבי האטום? אבֶּה גילה שהתשובה לכך שלילית, והסיבה נעוצה בתכונותיו הגליות של האור.

גבול הרזולוציה מגדיר את הגודל הקטן ביותר שניתן הבחין בו באמצעות מערכת אופטית כלשהי. הגבול הזה תלוי בצבע האור שמאיר את הדוגמה שאנו מתבוננים בה, וכפי שקבע אבֶּה, אי אפשר לקבל הפרדה טובה יותר מחצי מאורך הגל של האור שאנו משתמשים בו. מה זה אומר? אם למשל אנו מאירים את הדוגמה באור ירוק, בעל אורך גל של 550 ננומטר (כלומר 550 מיליוניות המילימטר), לעולם לא נוכל להבדיל בין שתי נקודות הקטנות מ-275 ננומטר בערך. מכאן מגיע השם: גבול ההפרדה. כלומר, אי אפשר להפריד בין נקודות סמוכות. לכן במיקרוסקופ אופטי אי אפשר לראות היטב מערכות שגודלן נמדד בננומטרים או ביחידות קטנות יותר, כמו מערכות ביולוגיות, מולקולות, אטומים או חלקיקים קטנים אחרים.

קבע גבולות. ארנסט אבה, שחישב כי גבול ההפרדה הוא מחצית אורך הגל | מקור: ויקיפדיה, אוניברסיטת היידלברג
קבע גבולות. ארנסט אבה, שחישב כי גבול ההפרדה הוא מחצית אורך הגל | מקור: ויקיפדיה, אוניברסיטת היידלברג

אור ואורך גל
כמו גלי רדיו, אור הוא גל אלקטרומגנטי. הוא עשוי משדה חשמלי ושדה מגנטי שרוטטים זה בניצב לזה ומתקדמים במרחב במהירות של כ-300 אלף קילומטר בשנייה – מהירות האור.
לגלים אלקטרומגנטיים, כמו לגלים בים, יש שיא ושפל. אלה הנקודות שבהן השדה רחוק ביותר מנקודת המנוחה שלו. המרחק בין שני שיאים נקרא אורך הגל. לאור בצבעים שונים יש אורך גל שונה, ולמעשה זה מה שמגדיר את הצבע כי העין שלנו מגיבה באופן שונה לאורכי גל שונים. אור אדום מורכב מגלים שאורכם כ-700 ננומטר בעוד שאור כחול הוא בעל אורך גל קצר יותר, כ-450 ננומטר.

מעבר לגבול הרזולוציה

מדענים רבים מחפשים דרכים לעבור את הגבול הבלתי מתפשר שהציב אבֶּה, ולהתבונן בעצמים קטנים יותר ויותר. יש אמנם סוגים אחרים של מיקרוסקופים, שאינם אופטיים, כמו מיקרוסקופ אלקטרונים או מיקרוסקופ כוח אטומי, שמאפשרים לקבל אפילו תמונות של אטומים יחידים, אבל יש להם חסרונות שונים, בעיקר (אך לא רק) כשמדובר בדוגמאות רכות כמו במקרים של חומרים ביולוגיים.

במרוצת השנים פותחו טכניקות שמאפשרות לעבור את הגבול של אבֶּה ולקבל במיקרוסקופים אופטיים תמונות בהפרדה ננומטרית. בשנת 2014 קיבלו שלושה חוקרים פרס נובל בכימיה על פיתוח של טכניקות כאלה. האם אבֶּה טעה? לא! הטריק הוא לשבור את הנחות העבודה שלו.

אבֶּה הניח למשל, שהדוגמאות מוארות בצורה אחידה, וכן שכל חלקי הדוגמה מגיבים לאור באותו אופן. בנוסף, הוא חי בעולם שעדיין לא הכיר את חוקי מכניקת הקוונטים. שבירה של כל אחת מההנחות מאפשרת לכופף קצת את החוקים, ולקבל תמונה בהפרדה טובה יותר.

מוטות זורחים

בניסוי במכון ויצמן למדע האירו החוקרים משטח שעליו פוזרו בצורה אחידה חלקיקים זעירים,  כל אחד מהם בצורת מוט קטן שאורכו 10 ננומטר וקוטרו כשישה ננומטר. כאשר מאירים את המוטות הקטנים האלה באור כחול, הם זורחים באור אדום-כתום. מה היינו רואים אם היינו מנסים להאיר את המשטח באור כחול (בעל אורך גל של 470 ננומטר) ולהשתמש במיקרוסקופ רגיל כדי לראות את הזריחה הכתומה? גבול הרזולוציה אומר לנו שלא היינו רואים פרטים קטנים יותר מ-235 ננומטר בערך. כלומר, לא היינו רואים את המוטות הנפרדים, אלא אם כן הם היו מאוד רחוקים זה מזה ביחס לגודלם.

הכלי הראשון שהחוקרים השתמשו בו כדי לשפר את יכולת ההפרדה שלהם, הוא שליטה טובה בדרך שבה הם אוספים את האור הכתום החוזר מן הדוגמה. הם אספו את האור אל חבילות של סיבים אופטיים, הדומות לחבילות שבהן נעשה שימוש בשיטות דימות רפואי. כל סיב בחבילה משמש חריר כניסה עבור גלאי נפרד, וככל שהאור קרוב יותר אל מרכז חריר הכניסה, כך התגובה של הגלאי חזקה יותר.

החוקרים סורקים את המשטח באלומה צרה במיוחד של אור כחול, ומחשבים עבור כל נקודה את ההסתברות לקבל בה אור כתום, המוחזר מהמוטות. בגלל שיטת הגילוי הרגישה, סביב כל מוט נוצרת מעין עקומת פעמון של הסתברות להימצאות מוט בנקודה הזו. חישוב מדוקדק של ההסתברויות מאפשר לזהות הפרדה בין שני מוטות ברזולוציה כפולה בערך מאשר בשיטות רגילות, המוגבלות על ידי חוק אבה.

הטריק הזה נקרא Image Scanning Microscopy (או בקיצור ISM). הוא הוצע תיאורטית לפני כ-30 שנה, והודגם ניסיונית בפעם הראשונה לפני כשמונה שנים.  

שילוב של מכניקת הקוונטים עם מיקרוסקופיה. מימין: דן אורון, בת אל רפאל, אורי רוסמן ורון טנא | צילום: סבסטיאן דוקה מסה
שילוב של מכניקת הקוונטים עם מיקרוסקופיה. מימין: דן אורון, בת אל רפאל, אורי רוסמן ורון טנא | צילום: סבסטיאן דוקה מסה

פוטון אחד כל פעם

בשלב הבא נכנסת מכניקת הקוונטים לתמונה. במידה שאנו מאירים את המשטח באור כחול חזק, נאסוף עוצמה כלשהי של אור כתום. מה יקרה אם נפחית בהדרגה את עוצמת ההארה? האם בשלב מסוים לא נאסוף אור כתום כלל? חוקי מכניקת הקוונטים אומרים שאם מולקולה אחת קולטת פוטון אחד של אור כחול, היא תפלוט פוטון אחד של אור כתום. לא יכול להיפלט חצי פוטון. למעשה, כל אחת מהמולקולות תמיד פולטת פוטון בודד בתגובה לעירור הכחול וכדי לשפר את רזולוציית התמונות הנאספות מעבר למה שמתקבל במיקרוסקופיית ISM, החוקרים השתמשו בתכונה הזו.

מאחר שכל מולקולה פולטת פוטון בודד, ופוטון לא יכול להתפצל לשניים, מה קורה כשפוטון שנפלט מהמשטח מגיע אל חבילת הסיבים האופטיים? הוא צריך "לבחור" אם הוא מגיע אל גלאי אחד או אל גלאי אחר, אבל לא אל שניהם בו זמנית. לשם הפשטות נחשוב על צמד גלאים, ולא 14 גלאים נפרדים כפי שנעשה בניסוי. אם גלאי אחד מדווח שהגיע אליו פוטון, אל הגלאי השני בהכרח לא הגיע פוטון. אפשר לומר שיש בין הגלאים מתאם שלילי. בחינת המתאם בין צמדים של גלאים, מאפשר לגלות היכן חסרים פוטונים כאלה, שאולי היו מגיעים לשני הגלאים אם היה אפשר לפצל אותם לשניים, אך הגיעו רק אל גלאי אחד בגלל חוקי מכניקת הקוונטים. שימוש בטריק המִתאם הזה מאפשר להכפיל את הרזולוציה של מיקרוסקופיית ISM רגילה. לשיטה זו קוראים ISM קוונטי, או QISM.

ביולוגיה מבנית ודינמיקה

"שיפור ברזולוציה האופטית עשוי לאפשר קביעה יותר מדויקת של מבנה אברונים מסוימים בתא, וכן את פרטי השינויים המתרחשים בהשפעת מחלות למשל. זו דינמיקה שקשה להשיג בעזרת שיטות מיקרוסקופיה שאינן אופטיות, כמו מיקרוסקופיית אלקטרונים", מסביר תלמיד המחקר שהוביל את הניסוי - כיום ד"ר  - רון טנא. עם זאת, טנא מבהיר כי באופן מעשי יהיה קשה לרדת לרזולוציה נמוכה מאוד, פחות מ-40 ננומטר, בגלל המגבלה של שיטות הסימון, כלומר ה"צביעה" של כל מולקולה או חלקיק בצבע זוהר שיאפשרו להפריד ביניהם. בכל זאת, הוא מסכם, "עד 40 ננומטר יש לנו עוד הרבה לאן להתקדם".