Дифракционный предел, открытый в 1873 году Эрнстом Аббе - это минимально возможный размер светового пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение (свет) заданной длины волны в среде с показателем преломления n: . Больше столетия этот предел пространственного разрешения являлся непреодолимым препятствием на пути совершенствования техники оптической микроскопии в дальней зоне.

Для изучения более мелких объектов требовались новые подходы. В XX веке возникли и активно развивались технологий, использующие квантовые свойства материи, - электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия и др. Однако фундаментальное ограничение на пространственное разрешение оптических методик исследования долгое время оставалось большой проблемой во многих областях естествознания. Конечно, наиболее очевиден путь уменьшения длины волны используемого излучения, который реализован в рентгеновской микроскопии, и в этой области разрешение достигает 30 нм, но уходить далеко в коротковолновую часть спектра ради увеличения разрешающей способности не всегда допустимо. Например, при исследовании биологических объектов, например клеточных мембран, нельзя использовать, скажем, синхротронное излучение. Хоть и возможно получить такое излучение с длиной волны 2-4 нм, но оно попросту убьет исследуемую клетку.

4 апреля ученые из Института биофизической химии им. Макса Планка (Max-Planck-Institute for Biophysical Chemistry) Штефан Хелль и Маркус Дюба (Stefan Hell, Marcus Dyba) опубликовали статью в Physical Review Letters, в которой сообщают о своем сенсационном достижении: благодаря эффективному совместному использованию двух самостоятельных методов повышения разрешающей способности им удалось наблюдать флуоресценцию участка клеточной мембраны бактерии Bacillus megaterium протяженностью порядка 33-46 нм при длине волны излучения в пределах 745-760 нм. Таким образом, поперечный (поперек пучка) размер оптически разрешаемого объекта соответствует , что существенно меньше дифракционного предела. В работе использовались методы конфокальной микроскопии (или 4-пи микроскопии, то есть сложения когерентных волновых фронтов от двух линз, расположенных по разные стороны от исследуемого объекта на оптической оси системы. Общий фокус линз при этом совпадает с положением образца) и истощения вынужденного излучения (stimulated emission depletion, STED).

Исследуемый флуоресцирующий объект помещается в общем фокусе двух соосных линз, однако (в отличие от классической схемы 4-пи микроскопии) и возбуждение, и наблюдение производятся с помощью одной и той же линзы. Сразу же после оптического возбуждения коротким (250 фс, =554 нм) лазерным импульсом на образец падает встречный 13-пикосекундный STED-импульс (=745-760 нм), стимулирующий излучательные переходы молекул из возбужденного состояния на один из колебательных подуровней мультиплета основного состояния в той области объекта, которая частично перекрывается с областью возбуждения. Когда молекулы, все еще находящиеся в возбужденном состоянии, уже готовы совершить излучательный переход, вслед за первым возбуждающим импульсом приходят еще два. Они отражаются от образца назад (т.е. в направлении распространения STED-импульса) и формируют стоячую волну. Эта волна действует подобно фильтру, позволяющему релаксировать только небольшой части общего числа молекул флуоресцирующего вещества. В остальном объеме образца флуоресценция сильно подавлена. Именно благодаря этому достигается разрешение порядка 1/23 длины волны.

По материалам PhysicsWeb и препринта Physical Review Letters 88 163901 от 4 апреля 2002,
а также страницы, посвященной научной группе Оптической микроскопии высокого разрешения Стефана Хелля.