全反射顕微鏡

全反射顕微鏡法は、誘電体界面付近のエバネッセント場から散乱した光を利用して物体を追跡および検出するための特殊な光学画像化技術です。その利点は、高い信号対雑音比と垂直方向の空間分解能が高いこと です。

光の全反射は、屈折率の異なる物質間の界面で臨界角 、 より大きい入射角で発生します。ここで、 ${\displaystyle \theta _{c}}$

${\displaystyle \theta _{c}=\sin ^{-1}(n_{2}/n_{1})}$

は入射媒体の屈折率と透過媒体の屈折率であり、界面の法線から測定されます。 ${\displaystyle n_{1}}$${\displaystyle n_{2}}$${\displaystyle \theta _{c}}$

全反射の条件下では、伝送媒体内の電磁場はエバネッセント波の形をとり、その強度は界面からの距離に応じて指数関数的に減少し、 ${\displaystyle I(z)}$

${\displaystyle I(z)=I_{0}e^{-\beta z}}$

とします。実用上、伝送媒体は、微小物体を浸すことができる流体（通常は水）によく選ばれます。物体を界面に近づけると、物体はその高さにおける場の強度に比例した光を散乱することが予想されます。^[1] エバネッセント場の浸透深度は数百ナノメートルのオーダーであるため、この技術は表面に対して垂直な方向の変位を追跡するのに最も感度の高い技術の 1 つです。^[2]${\displaystyle \beta ={\frac {4\pi }{\lambda }}{\sqrt {(n_{1}\sin(\theta ))^{2}-n_{2}^{2}}}}$${\displaystyle z}$

エバネッセント場の薄い励起領域により、高い信号対雑音比で選択したサンプル領域の広視野画像化が可能になります。ただし、生物学的アプリケーションでは、光散乱に頼るのではなく、蛍光体がサンプルに導入されてより選択的な視覚化が行われることがよくあります。この一般的な画像化技術は、全反射蛍光顕微鏡として知られています。

較正されたエバネッセント波^{[1]を使用すると、}フラストレート全反射によって散乱された光の強度を監視することで、コロイド粒子または微細プローブの位置をナノメートルの精度で追跡できます。これにより、熱平衡状態または非平衡状態のいずれかで、プローブまたは粒子の詳細なダイナミクスを取得できます。

例えば、熱平衡状態にあるプローブ粒子の時間に依存しない位置確率分布を収集し、マクスウェル・ボルツマン分布を反転させることにより、

${\displaystyle p(z)={\frac {1}{Z}}e^{-{\frac {V(z)}{kT}}}}$、

ここで、は分配関数、ボルツマン定数であり、粒子と表面間の相互作用のポテンシャルエネルギープロファイルを得ることができる。^[3] このようにして、ピコニュートン以下の力を検出することができる。^[4]${\displaystyle Z}$${\displaystyle k}$

一方、細胞やコロイドの拡散ダイナミクスは、TIRMや他の粒子追跡法によって得られた位置の時系列から推測することができます。固体界面付近での粒子の拡散を減少させる流体力学的結合効果は、この方法で研究されてきました。 ^[5]

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