Звичайний оптичний мікроскоп, який формує зображення у видимому світлі за допомогою скляних лінз, не може показати деталей, менших ніж близько 200 нанометрів, тобто 0,2 мікрометра. Нанометр — це мільярдна частка метра, а мікрометр — мільйонна частка метра. Ця межа зумовлена хвильовою природою світла, і вона приблизна.

Розмір

Межа стосується роздільної здатності: найменшої відстані між двома точками, за якої мікроскоп ще показує їх окремо. Дві точки, розташовані ближче, ніж ця відстань, зливаються в одну. Межа не залежить від збільшення. Якщо збільшення перевищує приблизно 1 000 разів, подальше збільшення зображення робить його більшим, але нових деталей не показує.

У 1873 році мікроскопіст Ернст Аббе опублікував рівняння, яке показує, що роздільна здатність залежить від довжини хвилі світла. У найкращому разі роздільна здатність дорівнює приблизно половині довжини хвилі. В одній із поширених форм розрахунку довжину хвилі ділять на подвоєну числову апертуру — число, яке вимірює, скільки світла збирає лінза.

Найкращі лінзи працюють крізь краплю олії й досягають числової апертури приблизно 1,4. У зеленому світлі з довжиною хвилі 550 нанометрів вони розрізняють деталі, що лежать на відстані приблизно 0,2 мікрометра одна від одної. У червоному світлі з довжиною хвилі 700 нанометрів такий самий розрахунок дає грубішу межу, а у фіолетовому — тоншу.

Порівняння розмірів

• Еритроцит завширшки приблизно 7,5 мікрометра приблизно в 37 разів більший за цю межу, тож його форму видно чітко.
• Частинка мімівіруса завширшки приблизно 750 нанометрів майже вчетверо більша за межу. Така частинка достатньо велика, щоб її було видно у світловий мікроскоп, а для вірусів це рідкість.
• Частинка ВІЛ завширшки приблизно 145 нанометрів менша за межу, тож світловий мікроскоп не може показати її форму.
• Упоперек людської волосини завширшки 80–100 мікрометрів умістилося б близько 400–500 деталей розміром із цю межу.
• Якби межу збільшили до 1 міліметра, тобто до найменшого поділу метричної лінійки, людська волосина була б завширшки 40–50 сантиметрів. Частинка ВІЛ була б завширшки приблизно 0,7 міліметра, тобто меншою за один поділ лінійки.

Побачити цятку, але не її форму

Межа стосується розрізнення деталей, а не того, чи можна щось виявити взагалі. Окрема молекула, що світиться, може виглядати у звичайному мікроскопі як світлова пляма, якщо відстань до будь-якої іншої молекули, що світиться, перевищує 0,2 мікрометра. Пляма розмита до розміру межі, тож за нею видно, де саме розташована молекула, але не те, як вона виглядає.

Коротші хвилі дають тонші деталі. Мікроскопи, що використовують ближнє ультрафіолетове світло, розрізняють менші деталі, ніж ті, що працюють у видимому світлі. Електронні мікроскопи йдуть значно далі. Електрони, які вони використовують, поводяться як хвилі з довжиною хвилі приблизно 0,005 нанометра, що набагато менше, ніж у світла.

Як обійти межу

Протягом більшої частини XX століття науковці вважали, що оптичні мікроскопи ніколи не зможуть показати нічого меншого за приблизно 0,2 мікрометра. Штефан Гелль запропонував спосіб обійти межу в 1994 році, а в 2000 році показав, що він працює. Його метод використовує один імпульс світла, щоб змусити молекули світитися, а другий, кільцеподібний лазерний промінь — щоб вимкнути всі молекули, крім тих, що перебувають у крихітній цятці.

В. Е. Мернер і Ерік Бетциг розробили інший метод: він вмикає за раз лише кілька молекул, що світяться, і поєднує багато зображень. Ці троє поділили Нобелівську премію з хімії 2014 року «за розроблення флуоресцентної мікроскопії надвисокої роздільної здатності». За словами Шведської королівської академії наук, яка присуджує цю премію, їхня робота означає, що «мікроскопія стала наноскопією».

Джерела

• How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Resolution. Nikon MicroscopyU.
• Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
• Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
• Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
• Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
• Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
• Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.