干渉散乱顕微鏡

干渉散乱顕微鏡法（iSCAT ）は、サブ波長の物体によって散乱された光を参照光場と干渉させることによって、サブ波長の物体を検出して画像化する一連の方法を指します。基本的な物理的性質は、位相差または微分干渉コントラスト、または反射干渉顕微鏡法などの他の従来の干渉法と共有されています。 iSCAT の主な特徴は、超波長の物体からの反射信号または透過信号に加えて、レイリー散乱としても知られるサブ波長粒子からの弾性散乱を検出することです。通常、課題は、大きく複雑なスペックルのような背景の上にある小さな信号を検出することです。 iSCAT は、蛍光ラベルを必要とせずに、ウイルス、タンパク質、脂質小胞、DNA、エクソソーム、金属ナノ粒子、半導体量子ドット、電荷キャリア、単一の有機分子などのナノ粒子を調査するために使用されています。

干渉の原理は、明視野イメージングを含む多くのイメージング手法において中心的な役割を果たしています。これは、干渉が照明フィールドと、物体と相互作用したフィールド、つまり消光フィールドとの間の干渉として説明できるためです。実際、外部光フィールドとの干渉に基づく顕微鏡法でさえ、100 年以上の歴史があります。

最初の iSCAT タイプの測定は、1990 年代に生物物理学のコミュニティで実行されました。^[1]ナノオブジェクトの検出方法の体系的な開発は、単一分子およびナノオブジェクトの研究のための蛍光を使用しないオプションを調査する一般的な取り組みとして、2000 年代初頭に開始されました。^[2]特に、 5 nm のサイズまでの金ナノ粒子は、散乱光とそれらを支えるカバーガラスからの反射ビームとの干渉によって画像化されました。さらに、スーパーコンティニュームレーザーを使用すると、粒子のプラズモンスペクトルを記録することができました。^[2]初期の測定は、残留スペックルのような背景によって制限されていました。バックグラウンド減算の新しいアプローチと頭字語 iSCAT は、2009 年に導入されました。 ^[3]それ以来、一連の重要な研究がさまざまなグループによって報告されています。^{[4] [5] [6] [7]}注目すべきことに、バックグラウンドとノイズ抑制におけるさらなる革新により、質量光度測定法（当初はiSCAMSとして導入された）などの新しい定量化方法が開発され、超高感度で正確な干渉検出が単一の生体分子の分子量を測定するための定量的手段に変換されました。^[8]

参照光が物体の散乱光と重ね合わされると、検出器での強度は次のように表される。^{[2] [7]}

${\displaystyle I_{det}\propto |{\overline {E_{r}}}+{\overline {E_{s}}}|^{2}=I_{r}+I_{s}+2E_{r }E_{s}\cos \phi }$

ここで、 および  は参照光と散乱光の複素電場です。結果として得られる項は、参照ビームの強度、物体からの純粋な散乱光、および位相 を含む 交差項です。この位相は、波数ベクトルの変化によるGouy 位相成分、物体の材料特性による散乱位相成分、および粒子の位置に依存する正弦波変調位相成分で構成されます。 ${\textstyle {\overline {E_{r}}}=E_{r}e^{i\phi _{r}}}$${\displaystyle {\overline {E_{s}}}=E_{s}e^{i\phi _{s}}}$${\displaystyle (I_{r}=|{\overline {E_{r}}}|^{2})}$${\displaystyle (I_{s}=|{\overline {E_{s}}}|^{2})}$${\displaystyle (2E_{r}E_{s}\cos \phi )}$${\displaystyle \phi =\phi _{r}-\phi _{s}}$

一般的に、参照ビームは、光学装置内で散乱光とは異なる経路をたどることができます。ただし、両者がコヒーレントで検出器上で干渉する限りです。ただし、両方のビームが同じ光路を共有すると、この手法はより単純で安定します。したがって、カバーガラスからの反射光またはサンプルを透過したビームが通常参照として使用されます。干渉が発生するには、両方の光波 (散乱光と参照光) がコヒーレントである必要があります。興味深いことに、数メートル以上の大きなコヒーレンス長を持つ光源 (現代の狭帯域レーザー システムのように) は通常必要ありません。最も一般的な iSCAT 実現方式では、カバーガラスの反射光が参照として使用され、散乱粒子がガラスから数百ナノメートル以内にあるため、LED などの「非コヒーレント」光も使用できます。^[9]

iSCAT はさまざまなアプリケーションで使用されています。これらは大まかに次のように分類できます。

• 微小管^{[1] [10]}
• 生細胞内小器官^[11]
• 脂質ナノ/マイクロドメイン^[12]
• 単一ウイルスアセンブリ^[13]
• 時間依存 iSCAT (StroboSCAT) ^[14]

• 単一ウイルスのin vitro追跡^[3]
• 細胞内感染初期段階における単一ウイルスの追跡^[15]
• 生きた細胞膜上のマイクロ秒単位の粒子追跡^[16]
• モータータンパク質追跡^{[17] [18]}

• 吸収による単一分子検出^[19]
• 単一タンパク質センシング^{[20] [21]}
• 単一タンパク質追跡^[22]
• 質量光度測定法^[8]

• 電池の正極に出入りする単一イオン^[23]