Per mezzo millennio, le persone hanno cercato di migliorare la visione umana con mezzi tecnici. Mentre l'occhio umano è in grado di riconoscere caratteristiche in un'ampia gamma di dimensioni, raggiunge i suoi limiti quando scruta oggetti a distanze gigantesche o nel micro e nanomondo. I ricercatori del progetto ChipScope, finanziato dall'UE, stanno ora sviluppando una strategia completamente nuova verso la microscopia ottica.

Il microscopio ottico convenzionale, ancora attrezzature standard nei laboratori, alla base delle leggi fondamentali dell'ottica. Così, la risoluzione è limitata dalla diffrazione al cosiddetto "limite di Abbe" – caratteristiche strutturali inferiori a un minimo di 200 nm non possono essere risolte da questo tipo di microscopio.

Finora, tutte le tecnologie per andare oltre il limite di Abbe si affidano a complessi setup, con componenti ingombranti e infrastrutture di laboratorio avanzate. Anche un microscopio ottico convenzionale, nella maggior parte delle configurazioni, non è adatto come gadget mobile per fare ricerche sul campo o in aree remote. Nel progetto ChipScope finanziato dall'UE, viene esplorata una strategia completamente nuova verso la microscopia ottica. Nella microscopia ottica classica l'area del campione analizzato è illuminata simultaneamente, raccogliendo la luce che viene diffusa da ogni punto con un rivelatore selettivo di area, per esempio. l'occhio umano o il sensore di una macchina fotografica.

Nell'idea ChipScope invece, una sorgente luminosa strutturata con piccoli, vengono utilizzati elementi indirizzabili individualmente. Come illustrato nella figura, il campione si trova sopra questa sorgente luminosa, nelle immediate vicinanze. Ogni volta che vengono attivati ​​singoli emettitori, la propagazione della luce dipende dalla struttura spaziale del campione, molto simile a ciò che è noto come imaging delle ombre nel mondo macroscopico. Per ottenere un'immagine, la quantità complessiva di luce trasmessa attraverso la regione del campione viene rilevata da un rilevatore, attivando un elemento luminoso alla volta e quindi scansionando attraverso lo spazio del campione. Se gli elementi leggeri hanno dimensioni nel regime nanometrico e il campione è a stretto contatto con essi, il campo vicino ottico è rilevante e l'imaging a super risoluzione può diventare possibile con una configurazione basata su chip.

Per realizzare questa idea alternativa, è necessaria una serie di tecnologie innovative. La sorgente luminosa strutturata è realizzata da minuscoli diodi emettitori di luce (LED), che sono sviluppati presso l'Università di Tecnologia di Braunschweig, Germania. Per le loro caratteristiche superiori rispetto ad altri sistemi di illuminazione, per esempio. la classica lampadina o gli emettitori a base di alogeni, I LED hanno conquistato il mercato delle applicazioni di illuminazione generale negli ultimi decenni. Però, al punto presente, non sono disponibili in commercio array di LED strutturati con pixel indirizzabili individualmente fino al regime sub-µm.

Questo compito appartiene alla responsabilità di TU Braunschweig nell'ambito del progetto ChipScope. I ricercatori hanno già dimostrato i primi array di LED con dimensioni dei pixel fino a 1 µm, come rappresentato in figura. Sono a base di nitruro di gallio (GaN), un materiale semiconduttore comunemente usato per i LED blu e bianchi. La strutturazione controllata di tali LED fino al regime sub-µm è estremamente impegnativa. È condotto mediante litografia a fascio di foto ed elettroni, dove le strutture nel semiconduttore sono definite con alta precisione da maschere d'ombra ottiche o fasci di elettroni focalizzati.

Come ulteriore componente, per il prototipo del microscopio sono necessari rilevatori di luce altamente sensibili. Qui, Il gruppo del professor A. Dieguez presso l'Università di Barcellona sviluppa i cosiddetti rivelatori di valanga a fotone singolo (SPAD) che possono rilevare intensità di luce molto basse fino a singoli fotoni. I primi test con quei rivelatori integrati in un prototipo del microscopio ChipScope sono già stati condotti e hanno mostrato risultati promettenti.

Inoltre, un modo per portare i campioni nelle immediate vicinanze della sorgente di luce strutturata è fondamentale per il corretto funzionamento del microscopio. Una tecnologia consolidata per realizzare questo utilizza canali microfluidici, dove un sottile sistema di canali è strutturato in una matrice polimerica. Utilizzando pompe ad alta precisione, un liquido a microvolume viene guidato attraverso questo sistema e trasporta il campione nella posizione di destinazione.