Сила точки. Как помеха превратилась в красивое решение.

— Квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы с характерными размерами порядка нескольких нанометров, — поясняет Иван Юрьевич. — Иногда их называют искусственными атомами, так как в квантовых точках, как и в атомах, энергии электронов и дырок могут иметь только определенные дискретные значения. 

Свойствами таких “искусственных атомов” можно управлять, изменяя их размеры. Например, при уменьшении размера нанокристалла его люминесценция будет сдвигаться в синюю область спектра. Это интересно для прикладных задач: если взять множество квантовых точек, синтезированных из одного и того же полупроводника, но с большим разбросом размеров, то можно получить люминофор для широкополосного источника света. Квантовые точки используются в разных областях фотоники, например, для создания источников белого света, дисплеев, разработки эффективных солнечных батарей. Еще одно перспективное направление — разработка источников неклассического света для задач квантовой криптографии. 

Важный параметр красителя — это так называемый квантовый выход люминесценции: процентное отношение излучаемых фотонов к поглощенным. Квантовые точки обладают высоким квантовым выходом (от 20 до 70%), а также имеют высокую фотостабильность. Приведем сравнение: при комнатной температуре одиночная квантовая точка может люминесцировать на протяжении нескольких часов вместо нескольких десятков секунд — для одиночных органических молекул. Если учесть нанометровые размеры, то квантовые точки интересны в качестве одиночных люминесцирующих маркеров для нанодиагностики различных материалов, в том числе в биологии. 

— Возможности оптической микроскопии ограничены дифракционным пределом. Нельзя разглядеть детали объекта, если его размер меньше половины длины световой волны. Поэтому с помощью обычного оптического микроскопа вы не увидите деталей менее одной пятой микрона. Скажем, сможете только заметить бактерию, но не сможете ее хорошенько разглядеть. Люминесцентная микроскопия сверхвысокого разрешения позволяет “обойти” дифракционное ограничение. Наиболее известные методики — STED, PALM и STORM. За создание и развитие первых двух в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Эти методы можно разделить на два типа: в первом стремятся уменьшить область фокусировки сканирующего лазерного пучка за счет тех или иных физических эффектов. Такой подход реализован, например, в методе STED. Во втором типе (PALM, STORM) используют технику восстановления изображения по точечным маркерам с помощью регистрации изображений одиночных “точечных” (размером меньше длины волны) люминесцентных маркеров. 

Основная идея последнего подхода заключается в следующем. В обычном оптическом микроскопе с помощью двумерного детектора, например ПЗС-камеры, раздельно регистрируется свечение для большого количества одиночных точечных излучателей — маркеров. Оказывается, анализируя такие изображения для каждого одиночного “точечного” объекта, можно определить его пространственное положение с точностью, которая существенно превышает дифракционный предел и может достигать единиц нанометров. Это повышает точность оптической микроскопии на один-два порядка. 

Принципиальный момент здесь — требование, чтобы изображения одиночных маркеров не перекрывались. Это означает, что внутри объема с диаметром примерно в половину длины волны не должно быть одновременно двух светящихся маркеров. Чтобы выполнить это условие, необходимо заставить одиночные маркеры высвечиваться раздельно, например в разные моменты времени. Для этого есть несколько подходов. Можно с помощью дополнительного лазера активировать небольшие порции маркеров, которые после непродолжительного времени фотовыжигаются (перестают люминесцировать). Можно использовать эффект мерцания одиночных маркеров (случайные прерывания в люминесценции). Или другой подход — лазерное селективное последовательно-параллельное их возбуждение. Последние два направления сейчас развивают в нашей научной группе под руководством профессора РАН Андрея Наумова. 

— В нашей группе направление селективной люминесцентной микроскопии сверхвысокого разрешения развивается с середины 2000-х годов в сотрудничестве с профессорами Лотаром Кадором и Юргеном Келером из Университета города Байройта (Германия). В Институте спектроскопии РАН мы создали три экспериментальные установки. Первая — это криогенный микроскоп-спектрометр для люминесцентной микроскопии и спектроскопии одиночных молекул. Вторая установка представляет собой совмещенный атомно-силовой, люминесцентный микроскоп для исследования флуоресцентных и спектральных свойств одиночных квантовых точек и молекул. Еще одна экспериментальная установка — для трехмерной люминесцентной микроскопии сверхвысокого разрешения.

К развитию направления спектромикроскопии одиночных полупроводниковых коллоидных квантовых точек я приступил после защиты кандидатской диссертации, которая была посвящена очень близкой тематике — спектроскопии одиночных молекул в неупорядоченных твердотельных средах (стеклах, полимерах, молекулярных кристаллах) при криогенных температурах. Наша группа продолжает работы в этом направлении и сейчас, так как результаты востребованы в материаловедении, физике твердого тела, нанотехнологиях.

— Если говорить про люминесцентную микроскопию сверхвысокого разрешения в целом, то в мире достаточно много научных групп, которые занимаются этой темой. Есть готовые коммерческие решения, основанные на методах PALM, STORM, STED, которые сейчас очень популярны в биологических исследованиях.

В то же время тематика продолжает активно развиваться, есть большое количество нерешенных фундаментальных и прикладных задач в этом направлении: многоцветовая и гиперспектральная микроскопия, трехмерная микроскопия, низкотемпературные измерения, прояснение микроскопической природы эффектов мерцания.

Один из принципиальных вопросов в развитии этих методов — точность восстановления координат одиночных излучателей. Этой теме посвящены исследования в рамках нашего проекта, поддержанного грантом президента. Мы планируем провести прецизионные измерения для экспериментальной проверки точности восстановления (определения) координат одиночных точечных источников света в зависимости от различных параметров эксперимента: числа регистрируемых фотонов, соотношения сигнала и шума и других.

Полупроводниковые коллоидные квантовые точки для этого исследования выбраны, с одной стороны, как очень удобный модельный объект одиночного точечного источника, а с другой — как перспективный тип маркеров для люминесцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. Дело в том, что люминесценция одиночных квантовых точек имеет мерцающий характер, то есть при возбуждении непрерывным лазером свечение квантовой точки прерывается безызлучательными интервалами, и происходит это в случайные моменты времени. 

Как оказалось, статистическими параметрами мерцания удается управлять: например, менять соотношение между продолжительностью излучательного и безызлучательного состояний. Это можно сделать, изменяя интенсивность возбуждающего излучения. Любопытно, что мерцание квантовых точек — это, в целом, нежелательное явление для их прикладного использования, так как мерцание приводит к уменьшению квантового выхода люминесценции. Но с точки зрения микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения мы имеем красивое решение задачи последовательного детектирования большого числа маркеров внутри дифракционно ограниченной области.

— В первую очередь мы рассчитываем, что результаты нашего проекта будут востребованы в бурно развивающемся направлении оптической микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения. Еще одно интересное направление — визуализация всевозможных перемещений объектов в нанометровом масштабе, например процесса диффузии маркеров в вязких средах. И именно в этих областях необходимы данные о точности восстановления пространственных координат одиночных точечных излучателей, в нашем случае — полупроводниковых коллоидных квантовых точек. 

С помощью одиночных квантовых точек можно, например, визуализировать микропотоки растворов в наноструктурированных пористых материалах, исследовать локальные коэффициенты вязкости в растворах при температурах вблизи точки стеклования, восстанавливать изображение наноструктур. 

Кроме того, мы планируем использовать наши результаты в технике спектромикроскопии одиночных молекул при криогенных температурах для нанодиагностики структуры и локальной динамики в неупорядоченных твердых средах. Новые экспериментальные возможности позволят исследовать релаксационные процессы в неупорядоченных твердых средах при криогенных температурах на качественно новом уровне — с возможностью нанометровой локализации.