Vượt qua giới hạn độ phân giải trong kính hiển vi quang học truyền thống được quy định bởi nguyên lý Abbe, cho phép phân giải chi tiết chỉ ở mức khoảng một nửa bước sóng ánh sáng (tức là khoảng 250 nanomet) là một trong những bước tiến quan trọng trong quang học và nghiên cứu các cấu trúc siêu nhỏ. Do bản chất sóng của ánh sáng cho nên ngay cả thấu kính tốt nhất cũng không thể tạo ra điểm sáng nhỏ hơn khoảng 250 nanomet. Khi các phân tử trong điểm sáng này phát sáng đồng thời, chúng không thể tách rời nhau, tạo ra một "vùng sáng" mờ, không rõ ràng, thay vì một điểm sáng sắc nét.

Vào đầu những năm 1990, Stefan Hell nhận ra rằng các phân tử có thể được tách ra bằng cách chuyển đổi tín hiệu phân tử "TẮT" và "BẬT" trong thời gian ngắn theo cách buộc các phân tử ở gần nhau phải báo hiệu liên tiếp. Các phân tử báo hiệu liên tiếp có thể dễ dàng phân biệt được.

Vào đầu những năm 1990, Stefan Hell đã phát hiện ra rằng các phân tử có thể được phân tách bằng cách tắt và bật tín hiệu phân tử trong thời gian ngắn sao cho các phân tử gần nhau cũng phải phát tín hiệu nối tiếp liên tục. Khi các phân tử này báo hiệu liên tục, chúng có thể được phân biệt dễ dàng, giúp tạo ra các hình ảnh có độ phân giải vượt xa giới hạn truyền thống của kính hiển vi quang học.

Trong kính hiển vi huỳnh quang, nguyên lý tách BẬT/TẮT có thể được triển khai hiệu quả nhờ khả năng dễ dàng bật và tắt huỳnh quang của các phân tử. STED (Stimulated Emission Depletion) và PALM/STORM (Photoactivated Localization Microscopy/ Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) là hai loại kính huỳnh quang đều dựa vào nguyên lý BẬT/TẮT này để có thể vượt qua giới hạn của kính hiển vi huỳnh quang truyền thống, giúp tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao và rõ nét.

Việc chuyển các phân tử giữa trạng thái BẬT và TẮT trong huỳnh quang đã mở ra những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải, là nền tảng cho sự phát triển mạnh mẽ của kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải. Vào năm 2014, nhà khoa học Stefan W. Hell, cùng với Eric Betzig và William E. Moerner đã được trao giải thưởng Nobel Hóa học vì những phát minh và đóng góp to lớn trong việc phát triển kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải của họ.

Độ phân giải siêu cao mà không cần BẬT/TẮT

Nhóm nghiên cứu từ Viện Max Planck (MPI) về Khoa học Đa ngành tại Göttingen và MPI về Nghiên cứu Y khoa tại Heidelberg do Hell dẫn đầu gần đây đã công bố một phát hiện quan trọng trên tạp chí Nature Physics rằng có thể tách một số lượng phân tử có thể đếm được mà không cần phải sử dụng phương pháp chuyển đổi BẬT/TẮT.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện một thí nghiệm để chứng minh rằng các vật thể điểm, như phân tử, có thể phân tách xuống một khoảng cách rất nhỏ, chỉ 8 nanomet. Để đạt được điều này, họ sử dụng một chùm ánh sáng có một đường cường độ bằng không để quét qua nút giữa của mẫu vật, các tín hiệu thu sẽ được ghi lại khi chùm tia quyét qua. Đối với các phân tử huỳnh quang, tín hiệu thu được là ánh sáng huỳnh quang phát ra từ phân tử khi nó hấp thụ năng lượng ánh sáng.

Đối với huỳnh quang đơn phân tử, tín hiệu huỳnh quang sẽ bằng không khi và chỉ khi vị trí của phân tử trùng với điểm có cường độ bằng không trong chùm tia chiếu sáng. Tuy nhiên, khi mẫu có chứa hai hoặc nhiều phân tử gần nhau, tín hiệu huỳnh quang đo được sẽ không bao giờ bằng không, vì ít nhất một phân tử sẽ không trùng với điểm cường độ bằng không của chùm sáng chiếu. Điều này dẫn đến việc tín hiệu huỳnh quang đo được có sự lệch nhất định so với giá trị bằng không, từ đó giúp mã hóa vị trí của các phân tử này trong mẫu.

Các nhà khoa học đã chứng minh cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm rằng nguyên tắc "quét với cường độ tối thiểu" có thể được áp dụng để xác định vị trí của phân tử một cách cực kỳ chính xác. Ví dụ, họ có thể phân tách hai phân tử huỳnh quang phát ra ánh sáng vĩnh viễn ngay cả khi chúng cách nhau chỉ 8 nanomet. Hơn nữa, họ cũng có thể phân giải một nhóm ba hoặc bốn phân tử ở khoảng cách khoảng 20 nanomet.

"Chuyển đổi BẬT/TẮT được coi là điều kiện tiên quyết cần thiết để đạt được độ phân giải quang học cao kể từ khi nguyên lý STED (Stimulated Emission Depletion) được giới thiệu để tắt huỳnh quang hơn ba thập kỷ trước. Khái niệm tách biệt các phân tử phát sáng liên tục, chỉ với mức tối thiểu, chính là một bước đột phá," Hell giải thích.

Thomas Hensel, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, nghiên cứu sinh bậc tiến sĩ trong nhóm của Hell, lưu ý: "Với khái niệm mới này, về lý thuyết, thậm chí ghi lại không gian của các phân tử gần nhau hơn dễ dàng hơn so với các phân tử xa nhau. Điều này trái ngược với trực giác về độ phân giải."

Trước đây, các phân tử càng gần nhau thì càng khó phân tách chúng. Nếu các phân tử này được tách ra bằng các điểm sáng và tạo ra các cực đại tín hiệu, như trong các trường hợp trước đây, thì việc phân biệt được chúng là rất khó vì tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu của các phân tử đó tương ứng nhau.

Chụp ảnh bằng sóng không có giới hạn độ phân giải

Các nhà khoa học của Max Planck tin rằng kết quả của họ có tiềm năng lớn.

Phân giải ở khoảng cách nhỏ nhất mà không cần BẬT hoặc TẮT các phân tử là điều quan trọng vì nó cho phép quan sát liên tục tất cả các phân tử mà không gây ra sự gián đoạn nào do cần phải TẮT các phân tử.

Khả năng quan sát liên tục mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi hơn trong nghiên cứu sinh học và công nghệ. Nếu một cỗ máy phân tử, như protein hoặc phức hợp protein, được gắn nhãn tại các điểm khác nhau bằng các phân tử phát tín hiệu liên tục, chúng ta có thể theo dõi sự di chuyển và thay đổi nhỏ về vị trí của chúng. Điều này giúp "quay phim" được hoạt động thực tế của những cỗ máy nano trong cơ thể sống.

Trong tương lai, điều này có thể giúp thiết kế các loại thuốc-khi cần thiết-có khả năng ngăn ngừa hoặc hỗ trợ các protein thực hiện chức năng của chúng. Bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế hoạt động của protein, phương pháp kính hiển vi này có thể giúp đẩy nhanh quá trình khám phá thuốc.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/l, 6/2025