היכולת המפתיעה
של מיקרוסקופ האור

מאז המצאת המיקרוסקופ במאה ה-17, מיקרוסקופ האור שימש לפריצות דרך חשובות בביולוגיה, ברפואה ובתחומים נוספים. המיקרוסקופ, המבוסס על קליטת האור המגיע מהדוגמה, הוא כלי נפוץ ושימושי מאוד עד היום. עם זאת, יש לו גם מגבלות משמעותיות, בהן המידע החלקי מאוד שהוא מספק על הטופוגרפיה של האובייקט הנחקר, כלומר על מבנה פני השטח שלו. המידע שמתקבל מקרני האור שנקלטות בעדשות המיקרוסקופ, מגיע בעיקר ממישור יחיד, המכונה מישור המיקוד (פוקוס). כתוצאה מכך התמונה שמתקבלת היא שטוחה ודו ממדית. 

כדי להתגבר על המגבלה הזאת פותחה בסוף המאה ה-20 שיטת מיקרוסקופיה המבוססת על גָּשׁוֹשׁ סורק (Scanning probe microscopy). בשיטה הזאת, מחט זעירה סורקת את הדגימה – בדומה למחט המחליקה על גבי תקליט בפטיפון ישן, וכך מספקת מידע על הטופוגרפיה. הבעיה בשיטה הזאת ובדומות לה היא שהסריקה דורשת זמן רב, ועל כן היא לא מתאימה לצפייה בדגימות דינמיות כמו יצורים חד-תאיים או רכיבים מכניים זעירים.

חוקרים מהטכניון שנדרשו לסוגיה הזאת פיתחו שיטת דימות חדשה, שמספקת במהירות מידע מעמיק על המבנה המרחבי של הדוגמה הנחקרת. השיטה משתמשת במיקרוסקופ אור ונעזרת במניפולציה על האור החוזר מהדגימה כדי לחשוף את המידע הדרוש על הטופוגרפיה שלה.

לצורך ההדגמה סרקו החוקרים, בראשות יואב שכטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית ממברנה מלאכותית מתנדנדת בגודל של כמילימטר (כמו טרמפולינה זעירה), שאליה הוצמדו חרוזים זעירים  זוהרים המשמשים ככלי עזר כדי לסמן דוגמאות, במיוחד ביולוגיות. הממברנה רטטה בתדירות של חמישים פעמים בשנייה, כשהחוקרים האירו על הדוגמה בלייזר וקלטו בעדשת המיקרוסקופ את האור החוזר. אלומת האור הועברה מהעדשה דרך רכיב אלקטרוני שפועל כמעין מסנן, המשהה את גלי האור שעוברים דרכו בצורה שונה לאורך האלומה ולרוחבה (spatial light modulator). לבסוף, האור מרוכז דרך עדשה נוספת ונקלט במצלמה רגישה. האופן השונה שבו מעוכב האור המגיע כאשר הממברנה נמצאת במרחקים שונים מהעדשה מאפשר להסיק מהו גובהם של החרוזים לעומת מישור המיקוד. המידע אודות הגובה של החרוזים הרבים בכל רגע נתון מאפשר לקבל תמונה תלת-ממדית של הממברנה ולשחזר את תנועתה למשך זמן הצילום. 

העיכוב השונה של אלומות האור מספק תמונה תלת ממדית של העצם הנחקר. ד"ר יואב שכטמן | צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

תוספת משמעותית

האור שנמדד מספק אם כן מידע על הטופוגרפיה של הדוגמה, כלומר המבנה התלת-ממדי של פני השטח שלה. ניתוח הנתונים של סריקות חוזרות במחשב, מאפשר לעקוב אחר תנועות ושינויים בדוגמה, מה שמאפשר, למשל, לחקור פעילות של תאים חיים או מרכיבים שלהם. 

במאמר השוו החוקרים את ביצועי השיטה החדשה עם אלה של מיקרוסקופיית הולוגרפיה דיגיטלית, שהיא טכנולוגיה בולטת לדימות תלת-ממדי. הם מדווחים כי השיטה החדשה משפרת את טווח המדידה של משטחים וכן הם הראו שאפשר להשתמש בשיטה גם ללא הוספה של החרוזים הזוהרים מה שמאפשר שימוש שלה בעוד מגוון של דוגמאות שאי אפשר להצמיד אליהן את החרוזים.

החוקרים הראו את יעילות השיטה על כמה סוגים של דוגמאות, ומדווחים כי היא מסוגלת למדוד מדרגות בפני השטח מגובה של מיקרומטר יחיד (אלפית המילימטר) ועד מאות מיקרומטרים, וגם לעקוב אחרי דגימות דינמיות. אחד מיתרונותיה הבולטים הוא שהיא לא מחייבת מכשיר מדידה נפרד, אלא אפשר להשתמש בה על ידי תוסף שמתחבר למיקרוסקופים סטנדרטיים שנמצאים במעבדות רבות בעולם. בכך היא שיטה זו עשויה להתגלות כתוספת משמעותית לסל הכלים המחקריים במגוון תחומים.