镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用
【专利摘要】本发明公开一种镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，包括：1)在衬底上镀设光学薄膜，并将微纳样品放置在所述的光学薄膜上或在所述的光学薄膜上制备微纳结构；2)放置微纳光源，并将微纳光源的倏逝场耦合进所述的光学薄膜，使得传输的倏逝场作用于微纳样品或微纳结构；或者将外界光场直接耦合进光学薄膜波导内传输，并在传输过程中与微纳样品或者微纳结构相互作用；3)通过显微镜获取微纳结构或微纳样品的光学成像，并对像进行频谱分析和图像重构。
【专利说明】
媳膜玻片在超分辨显微技术上的应用
技术领域
[0001] 本发明设及薄膜和超分辨显微领域，尤其设及一种锻膜玻片在超分辨显微方向的 应用。
【背景技术】
[0002] 光学显微镜由于光束直径有限，透镜大小有限，从而具有一个阿贝衍射极限理论
(入为所用照明光的波长，NA为所用显微物镜的数值孔径）。根据该理论，在可见光 波段，光学显微镜的极限分辨率被限制在200纳米左右。但是，材料、生物、医学等领域的发 展，要求有关设备能够实现更小尺寸的分辨能力，W便能够实现对更小尺寸样品的观察。因 此，需要一种对样品的普适性强的可W突破常规衍射极限的新技术，来实现超分辨显微。
[0003] 当前，人们已经在使用的技术包括受激福射光泽灭（stimulation emission depletion, STED)、随机光学显微重建（stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)和光激活定位显微技术（photoactivated localization microscopy， PALM)等。但大都面临着花费昂贵，视场较小等限制因素。STED显微镜的困难在于光束波长 的选择W及两列脉冲的同步调节，技术难度较大；而STORM技术需要较长的成像时间，难W 实现活细胞成像。因此，需要一种价格低廉，普适性强，视场范围大，可W突破常规衍射极限 的新技术，来实现超分辨显微。
[0004] 当在玻片的表面锻有高折射率的光学薄膜时，薄膜波导内传输的光场能够被很好 的约束。高折射率薄膜波导能够提供大波矢倏逝场，利用大波矢倏逝场有利于实现超分辨 显微功能。同时，良好的光场约束性也有利于实现大的工作视场。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了锻膜玻片在超分辨显微领域的应用，通过对薄膜材料的选择和薄膜 折射率和尺寸等参数的优化，可W适应不同的微纳样品需求，满足不同分辨率和不同的视 场范围需求。良好的光场约束性使得锻膜玻片能更好地实现约束场与微纳结构或样品的相 互作用，获取近场信息。具体的作用机理是通过玻片上的光学薄膜对微纳光源的倏逝场或 者外界的禪合场进行约束传输，薄膜的倏逝场会与微纳样品或者结构发生相互作用，使得 样品的频谱发生频移并传到远场。在本发明的薄膜超分辨显微方法中，包括薄膜的锻膜过 程、光学薄膜与微纳样品或结构的相互作用过程W及输出结果的处理过程。
[0006] 要实现锻膜玻片在超分辨显微领域的应用，需要W下步骤：
[0007] 1)根据实验样品和结果的要求，选择薄膜材料，仿真并优化获取需要的薄膜参数； [000引2)利用热蒸发，原子层沉积等技术在盖玻片、娃片等衬底上按照已有的优化参数 进行光学锻膜；
[0009] 3)将微纳样品放置在锻好的光学薄膜上，或者利用FIB等技术在光学薄膜上刻蚀 所需微纳结构，并做好标记；
[0010] 4)参照标记放置微纳光源，微纳光源与样品或结构之间的距离根据实际情况而 定，并将微纳光源的倏逝场禪合进光学薄膜，使得传输的倏逝场作用于微纳结构样品；或者 将外界光场直接禪合进光学薄膜波导内传输，并在传输过程中与微纳样品或者结构相互作 用；
[0011] 5)通过显微镜获取微纳结构的光学成像，并利用CCD等进行拍照记录;并对像进行 频谱分析和图像重构。
[0012] 本发明中，光学薄膜可选用的材料有多种，作为优选的包括=氧化二侣(Ab化），二 氧化铁(Ti〇2)等，一般相对于衬底材料，折射率越高的薄膜材料越有利于对光场的约束，更 易于实现高的分辨率，同时光学薄膜也可W做的更薄。可W采用的锻膜方式有多种，包括热 蒸发，瓣射或者原子层沉积(ALD)等方式。作为优选的，一般采用热蒸发的方式进行锻膜，热 蒸发方式更有利于大片的进行锻膜，锻膜的成本较低，并且薄膜的质量能够很好的满足微 纳显微成像的要求。同时，可W选用的祀材料种类也很丰富。光学薄膜的厚度和薄膜材料的 折射率对显微效果具有一定的影响，根据实际要求，需要对所需薄膜进行相应的设计与优 化。例如，表1和表2所示的Al2〇3膜和Ti化膜在不同厚度下的仿真效果。
[OOU]表1 .不同Al2〇3膜厚障况下仿真得到的Deff与最佳分辨率值 「00141
[0015] 表1为仿真得到的，在采用280皿氧化娃层厚度的娃基衬底，入射光波长为520皿， 几种不同厚度的氧化侣薄膜对应的有效折射率实部neff值和相应的最佳分辨率值(最佳分 辨率= V(2 ? neff))，可见模场的有效折射率实部也不断增加，相应的最佳分辨效果得到很 大提升。
[0016] 表2.不同Ti化膜厚情况下仿真得到的neff与最佳分辨率值 「mi7l
[0018] ~表2为采用280nm氧化娃层厚度的娃基衬底，入射光波长为52化m时仿真得到的几' 种不同厚度下氧化铁薄膜所对应的有效折射率实部neff值和相应的最佳分辨率值，可W看 出，与表1中的规律相同，更厚的的氧化铁层，有利于实现更好的分辨效果。
[0019] 本发明中光学衬底的选择需要与薄膜材料一同考虑，衬底在运里的作用主要是承 担对样品的承载作用。但是，当衬底的折射率很高，或者与薄膜材料的折射率相近时，会破 坏薄膜对光场的约束性，使得薄膜波导内光场易于禪合到衬底，从而被损耗掉，降低成像的 视场范围。制备锻膜玻片时，要求衬底玻片上与薄膜接触部分的折射率小于薄膜材料折射 率，且两者的折射率差最好能大于0.5。一般可W选用的衬底材料包括盖玻片和具有一定氧 化层厚度的娃片，娃片上氧化层的厚度要根据所选用的高折射率材料而定，一般氧化娃层 厚度的厚度会选择在200nmW上。
[0020] 本发明中，微纳光源有多种实施方式，包括微纳光纤、平板波导结构或者半导体纳 米线等。实际使用中，光源的选择应从W下角度考虑：
[0021] 微纳光纤和平板波导结构内传输的光场由于波矢是沿着轴向方向，运两种光源的 倏逝场波矢也因此沿着轴向，运就使得倏逝场在与光传输方向垂直的截面方向传输距离有 限，无法实现大视场观察。但是，微纳光纤与平板波导一般采用氧化娃材料，氧化娃的材料 稳定性好，适用的工作条件非常广泛。同时，微纳光纤的柔初性很好，能够绕成多种形状的 微环。此外，由于波导的光场是由外界提供的，因此，可W轻易在多工作波长条件下观察微 纳样品。
[0022] 半导体纳米线受到光激发产生巧光，运些巧光的波矢沿着各个方向，禪合到薄膜 波导内的光场在纳米线的横截面方向上能传输很远的距离，有利于大视场观察微纳样品。 并且，半导体纳米线的直径一般都在百纳米量级，能够很容易的绕成环形，适用于环形照 明。但是，半导体纳米线发出的巧光波长受材料特性限制，一种材料一般只对应一种波长， 不利于多个工作波长条件下的观察。
[0023] 本发明中，薄膜波导内的光场也可通过外界光场进行端面禪合的办法获取，采用 端面禪合的方法，可W在薄膜波导内光场传输的方向上放置微纳样品或者结构，视场范围 可W做的很大。运里光场禪合的端面位置与微纳样品的位置，要根据所选用的薄膜材料、薄 膜厚度、薄膜的质量(包括表面平整度、内部散射点的密度等），W及光场的禪合效率等条件 而定。
[0024] 本发明中，微纳样品可通过微纳操作的方式置于锻膜玻片上，微纳结构可W通过 聚焦离子束微纳加工技术(FIB)在高折射率薄膜上直接制备。微纳光源与微纳样品的放置 顺序可依据实际情况而定，不限于先放置微纳样品或者结构之后放置微纳光源运一情况。
[0025] 本发明中，光学薄膜的制备也可W通过锻制多层膜的方式，实现对倏逝场的良好 约束;优选的，所述的光学薄膜为两层，包括与衬底贴合的底层低折射率薄膜和锻在底层之 上的高折射率薄膜，其中，所述底层薄膜的材料可W位Si化，MgFs、孔的、La的、S巧3或MF3等； 表层薄膜的材料为Al2〇3、Ti化、Ta地5或化化。例如，在纯娃衬底或者具有一定厚度氧化层的 娃衬底上锻制一层低折射率氣化儀、氣化镜、氣化钦、氣化锭层，之后再锻制一层=氧化二 侣、二氧化铁层、氧化粗或者氧化错层等。最终，利用高折射率层实现对倏逝场的约束。
[0026] 本发明中，也可先将微纳光纤或者半导体纳米线置于衬底之上，之后锻制折射率 较高的光学薄膜，即所述的光学薄膜覆盖在微纳光纤或半导体纳米线的表面;运样有利于 更多的光被禪合进光学薄膜内部，从而增强倏逝场的强度，实现更好的显微成像效果。同 时，也可W降低光学成像时的背景噪声。
【附图说明】
[0027] 图1为实施例1，采用在有280nm氧化娃层厚度娃基衬底上锻有200nm=氧化二侣薄 膜玻片时，通过环形微纳光源观察ZJU微纳结构的示意图；
[00%]图2为实施例2,采用在有280nm氧化娃层厚度娃基衬底上锻有200nm=氧化二侣薄 膜玻片时，利用直线型微纳光源观察不同距离的双道微纳结构示意图；
[0029] 图3为实施例3,采用锻有多层光学薄膜结构的玻片时，利用微纳光纤作为微纳光 源观察双道微刻槽或微纳样品时的示意图；
[0030] 图4为实施例1的实验效果图；
[0031 ]图5为实施例2的实验效果图；
[0032] 图6为采用在娃上280nm氧化娃层时，观察周期250nm阶梯型微纳结构的实验效果 图，可W看出与实施例1和例二相比，视场范围缩小很多。
[0033] 图7(a)为实施例1中的整体沈M图，图7(b)为实施例1中局部细节沈M图；
[0034] 图8(a)为实施例2中的整体沈M图，图8(b)为实施例2中的局部细节沈M图；
【具体实施方式】
[0035] 要实现锻膜玻片在超分辨显微领域的应用，需要在玻片衬底之上锻制一层高折射 率介质膜层。之后将微纳样品通过微纳操作放置到介质膜层上，或者在薄膜上通过FIB等技 术制备特定形状和尺寸的微纳结构。最后，将微纳光纤、微纳平板波导或者半导体纳米线放 置在距离微纳样品或者结构一定距离的位置处。在完成运些准备工作之后，可W将特定波 长的光禪合到微纳光纤或者波导，或者激发半导体纳米线，利用运些微纳光源与光学薄膜 之间发生禪合作用，也可直接将外界光源端面禪合进光学薄膜内部，最终实现光场在光学 薄膜内的传输。当传输光场的倏逝场遇到微纳样品或者结构时，两者会发生作用，从而使得 微纳样品或者结构被分辨。我们可W利用光学显微镜观察微纳样品或者结构分辨情况，并 利用CCD等设备记录光场信息，并对微纳样品和结构进行后续分析。
[0036] 实施例1:
[0037] 如图1所示的薄膜玻片观察微纳结构ZJU示意图，包括娃基衬底11，娃基衬底上锻 的200nm厚度的S氧化二侣光学薄膜12,周期在170nm左右的微纳结构(ZJU)14，W及环绕在 微纳结构周围的环形微纳光源13。其中娃基衬底采用了氧化娃层厚度为280nm的娃基衬底， 清洗过衬底后，采用热蒸发的方法，在娃基衬底上锻制了 200nm的S氧化二侣光学薄膜。之 后采用聚焦离子束微纳加工技术，在氧化侣薄膜上刻蚀制备了深度在IOOnm左右，周期在 170皿左右的微纳结构。实验中，微纳光源采用了半导体纳米线照明方法，通过微纳操作，将 半导体纳米线在微结构周围进行绕环。之后通过外界激发半导体纳米线，受到激发的半导 体纳米线发出的部分光会W倏逝场的形式禪合到=氧化二侣薄膜内，并进行传输。刻蚀微 结构的沈M图如图7(a)和图7(b)所示，实验的效果图如图4所示，基本上可W实现环形内的 均匀照明，同时能对微纳结构实现超分辨成像。
[003引实施例2:
[0039] 如图2所示薄膜玻片观察阶梯型微纳结构示意图，与实施例一采用了相同的衬底 和光学薄膜参数，包括娃基衬底21和=氧化二侣光学薄膜22。在=氧化二侣上采用聚焦离 子束微纳加工技术刻蚀制备了阶梯型微纳结构24,单个的双道结构内周期在170nm左右，双 道结构之间的间距在6um左右，微纳光源采用的是与微结构平行的半导体纳米线23。刻蚀微 结构的SEM图如图8(a)和图8(b)所示，从实验效果图图5中，可W看出，该玻片结构可W实现 单侧30umW上的视场观测范围。
[0040] 实施例3:
[0041] 如图=所示采用多层锻膜的方式观察双道结构示意图，包括娃基衬底31，折射率 较低的光学薄膜（如MgF2、化。3、1曰。3、5讯、刷。3等）32，折射率较高的的光学薄膜（如412〇3、 Ti化、Ta地5和Zr化等)33,之后利用聚焦离子束微纳加工技术在高折射率薄膜上制备微纳结 构，比如双道微结构35,或者其他结构。也可将微纳样品放置在高折射率薄膜之上。之后，将 拉锥制备的微纳光纤34,放置在距离微纳结构或样品一定距离的高折射率薄膜上。将外界 光利用微纳光纤禪合到高折射率薄膜内，并利用CCD对微纳结构或者样品进行光学成像。
[0042] W上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，包括： 1) 在衬底上镀设光学薄膜，并将微纳样品放置在所述的光学薄膜上或在所述的光学薄 膜上制备微纳结构； 2) 放置微纳光源，并将微纳光源的倏逝场耦合进所述的光学薄膜并进行传输，利用光 学薄膜的倏逝场作用于微纳样品或微纳结构;或者将外界光场直接耦合进光学薄膜波导内 传输，并在传输过程中与微纳样品或者微纳结构相互作用； 3) 通过显微镜获取微纳结构或微纳样品的光学成像，并对像进行频谱分析和图像重 构。2. 如权利要求1所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述的衬底 为盖玻片或具有氧化硅层的硅片等。3. 如权利要求1或2所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述衬 底与光学薄膜接触部分的折射率小于薄膜材料折射率。4. 如权利要求1所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述光学薄 膜的材料为A12〇3、T i 02、Ta2〇5或Zr 02等。5. 如权利要求1所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述的微纳 光源为微纳光纤、平板波导结构或者半导体纳米线。6. 如权利要求5所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述的光学 薄膜可以在微纳光纤或半导体纳米线之上或者下方。7. 如权利要求1所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，可以采用端 面耦合的方法将外界光场耦合进光学薄膜波导内传输。8. 如权利要求1所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述的光学 薄膜为两层，包括与衬底贴合的底层和镀在底层上的表层，且底层薄膜的折射率小于表层 薄膜的折射率。9. 如权利要求8所述的镀膜玻片在超分辨显微技术上的应用，其特征在于，所述底层薄 膜的材料为MgF2、YbF 3、LaF3、SrF3或NdF3等;表层薄膜的材料为Al 2〇3、Ti02、Ta2〇5或Zr02等。
【文档编号】G02B1/10GK106019423SQ201610563199
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】杨青, 庞陈雷, 刘小威, 徐鹏飞, 沈伟东, 刘旭
【申请人】浙江大学