用于保持微球体的膜

本发明涉及通过使用透明颗粒作为光学透镜以实现超分辨率纳米成像的新型光学纳米成像方案。具体地，本发明涉及用于保持微球体的膜。本发明涉及该膜及其在超分辨率纳米成像中的应用。

背景技术：

1、通常被称为“光显微镜”的光学显微镜是使用可见光和透镜系统来放大较小样品的图像的一种显微镜。光学显微镜是最古老的显微镜设计，并且可能是在17世纪以现行的复合形式发明的。基本的光学显微镜可以很简单，尽管存在旨在提高分辨率和样品对比度的许多复杂的设计。

2、不使用可见光的光学显微镜的替代物包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜。在透射光具有很高的放大倍率下，点对象被视为由衍射环包围的模糊斑。这些模糊斑被称为艾里斑。显微镜的分辨能力被认为能够区分两个紧密间隔开的艾里斑(或换言之，显微镜将相邻结构细节显示为不同且分离的能力)。正是这些衍射的影响限制了分辨细节的能力。衍射图案的范围和大小受光的波长(λ)、用于制造物镜的折射材料和物镜的数值孔径(na)的影响。因此，存在已知为衍射极限的有限的极限，超出该极限则不能分辨物镜视场中的分离的点。

3、几个世纪以来，光学透镜制造者和研究人员努力工作，以追求越来越小的光学显微镜的分辨率。据信传统的光学器件通过阿贝衍射极限将分辨率物理地约束为大约入射波长的一半。然而，多年来随着现代技术的发展，可以实现对分辨率极限的突破。最有前景的方法之一是，通过透明的微球体来观察亚波长特征。

4、该突破还引起了对微球体成像研究的广泛兴趣。这些研究已证实了微球体的分辨率性能。通常，微球体的功能是将样品的虚像放大到可以被常规光学显微镜分辨的尺寸。微球体可以将入射光聚焦到尖锐的点。通过在样品表面上方引入微球体，样品上的亚波长特征可以被聚焦的光照射，并且放大的虚像可以形成并被眼睛或ccd捕捉。在这种技术的目前发展中，大多数实验是通过将微球体直接放置在样品的顶部来进行的，这具有许多缺点，例如，对脆弱样品的污染或破坏、无法扫描表面、难以将样品和微球体分离开并且难以实现最佳图像平面。为了进一步促进该领域在实际应用中的发展，从样品表面分离微球体是至关重要的。

5、目前的粒子透镜纳米成像在其实际应用中受到一些根本的限制，例如，粒子透镜与对象的直接接触、成像速度慢以及由于色差引起的图像失真。

6、因此，需要一种改进的超分辨率光学成像系统。

7、在本说明书中明显优先公布的文件的列表或讨论不一定被视为承认该文件是现有技术状态的一部分或是公共常识。

8、本文中提及的任何文件通过引用全部内容并入本文中。

技术实现思路

1、本发明利用微球体作为用于超分辨率成像的光学元件，提供了恢复远场中的纳米级信息的可能性。在根据本发明的合适设备中，入射光可以通过全内反射在内部周围反射光子而被捕获在微小的透明球体内。在共振中，增强的能量仅通过小窗口发射出去。该倾向允许许多有趣的应用。例如，透明微球体可以形成高效的激光腔。

2、因此，这引出了已被构想的一种新型的透镜组件芯片，其可以与传统的光学显微镜集成以解决上述问题。具体地，透镜组件芯片包括由薄膜保持的微球体，这避免污染和破坏样品。另一个关键优点在于，通过引入物镜与微球体之间的距离，可以通过调节膜的垂直位置来灵活地找到最佳的图像平面，从而确保实验装置的最佳性能。另外，当微球体和样品分离时，可以通过使用安装在传统显微镜上的载物台移动样品或移动位于膜上的微球体来实现对整个表面的扫描。此外，低制造价格和简单的设置使设计成为可以与商业化显微镜耦接的优秀候选。

3、在本发明的第一方面中，提供了一种具有第一表面和第二表面的膜，第一表面和第二表面彼此相对，膜包括：(a)穿透膜的开口，该开口被尺寸成保持微球体，其中，开口是锥形，第一表面上的开口的尺寸大于第二表面上的开口的尺寸。

4、所谓“膜”是指适于将微球体容纳并保持在其内的任何薄片材料。该膜可以具有任何合适的厚度并且可以是任何合适的材料。因此，第一表面和第二表面彼此相对，并且这两个表面分别在膜两侧上。穿透膜的开口可以包括允许将微球体接收和保持在膜内的任何洞、穿孔、孔等。

5、开口的内部轮廓可以是倒角锥形(inverted pyramid)。可替代地，开口的内部轮廓是截头圆锥形的。

6、在实施方式中，膜中的开口是锥形的，即，穿透膜的孔的尺寸从一端朝向另一相对端缩小或减小。这样的配置允许微球体在一端被插入开口中，但不允许通过开口。因此，被保留在开口内。优选地，开口被定尺寸成保持直径在4μm到50μm之间的微球体，第一表面的开口的尺寸大于微球体的直径，并且第二表面上的开口的尺寸小于微球体的直径。在替代实施方式中，微球体的直径可以在5μm至30μm之间。膜中的开口可以用任何合适的方法来制造，例如，通过蚀刻方法(化学方式或机械方式)或刺穿膜等。

7、所谓“微球体”是指包括直径在微米范围内的任何小球形颗粒。在本发明的实施方式中，微球体的直径可以大约在4μm至10μm之间。该术语还可以用于包括可以在微流体装置的基底上使用的任何微球体透镜阵列，并且可以用作基于在微流体通道中传输纳米对象的光子纳米喷射现象的光学检测方法的一部分，其中，该微流体通道的深度与光子纳米喷射的纵向尺寸相当。微球体可以是电介质微球体。在本技术中，微球体可以互换地被称为粒子透镜。

8、优选地，当与用于对样品进行成像或放大的显微镜一起使用时，在微球体被放置在物镜与样品的表面之间的情况下，在开口的中心轴与开口的一侧之间形成的角度大于显微镜的物镜的数值孔径。物镜的数值孔径因每次放大而不同。就此点而言，建议角度大于应用的成像系统中的物镜的最高数值孔径。通常，当在周围空气环境中成像时，物镜的数值孔径通常为0.3至0.9，与17度至64度之间的角度对应。因此，在实施方式中，角度大于64度以优化成像质量。

9、在本发明的实施方式中，膜的表面涂覆有任何合适的反射材料。优选地，该材料是金属。更优选地，金属可以选自包括以下的组：金、银、铬、铝、铜或其组合。

10、优选地，膜的厚度等于或小于微球体的直径。

11、优选地，膜由选自包括以下的组的材料制成：硅、二氧化硅、蓝宝石、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)或其组合。

12、在本发明的第二方面中，提供了包含根据本发明的第一方面的膜的装置，其中，膜耦接至支承结构，支承结构被配置成将微球体定位在显微镜的物镜与样品的表面之间，以用于对样品成像。

13、优选地，支承结构被配置成将微球体定位在样品表面上方预定距离处。在实施方式中，预定距离是小于1μm的任何距离。

14、在实施方式中，支承结构是包括悬臂的纳米台，保持微球体的膜耦接至悬臂的远端。

15、可替代地，支承结构是包括至少一个臂的框架，所述至少一个臂从框架的一侧延伸到框架的内部空间中，保持微球体的膜耦接至所述至少一个臂。

16、所谓“框架”是指具有围绕内部空间的边界或边缘的任何结构。优选地，框架包括从框架的相对侧延伸到框架的内部空间中的至少一个臂，保持微球体的膜被布置在相对的臂之间。臂可以通过螺纹部附接至框架，并且这些螺纹部的拧紧作用对膜在样品的表面上方的位置进行调节。

17、在任何情况下，支承结构被配置成将微球体定位在沿x、y或z轴方向的任何位置处。该移动可以手动地进行，例如，通过螺纹部的手部动作，或通过控制单元。

18、在本发明的第三方面中，提供了一种用于对样品成像的系统，该系统包括：(a)光学部件；以及(b)根据权利要求9至13中任一项所述的装置。

19、所谓的“光学部件”是指用于对样品进行成像和/或放大的任何部件，这样的部件包括显微镜的物镜。

20、在本发明的第四方面中，提供了一种用于对样品成像的方法，该方法包括：(a)将微球体保持在根据本发明的第一方面的膜中；(b)将微球体定位在样品的表面上方；(c)照射样品的表面，由此从表面反射的光被反射通过微球体，并且聚焦通过光学部件；以及(d)检测光以形成表面的图像。

21、优选地，微球体被定位在样品的表面上方小于1μm的预定距离处。

22、有利地，为了克服常规显微镜在空气中的成像分辨率限制(由于衍射极限，约为照明光波长的一半)，本发明提供了一种新型的超分辨率成像方案，通过将透明颗粒定位成靠近样品的表面但不与样品的表面接触作为独特的光学透镜。优化的粒子透镜被设计用于周围空气中的光学纳米成像，并且已经通过实验显示出50nm的分辨率。

23、此外，在大多数显微镜观察实验中，操纵微球体位置的能力是重要的。目前的方法复杂而庞大。就此点而言，本发明实现了具有预集成微球体的节省空间的显微镜附件，可以组装到大多数常规光学显微镜，并且以低成本和高效率实现超分辨率。

24、因此，在本发明中，通过以下方法来解决现有技术所面临的问题：

25、1)通过设计粒子透镜架及其纳米操纵系统以避免与对象的物理接触来构建用户友好型纳米镜；以及

26、2)粒子透镜纳米镜与激光源耦接，以滤除由于照明光的宽带波长而引起的失真图像信息。在这样的照明光中，每个波长将生成由ccd相机捕捉的图像。这些图像彼此交叠，并且形成在ccd上观察到的可能失真的合成图像。然而，当使用了激光源时，提供了窄的波长范围，并且因此图像质量更高。

27、为了使本发明能被充分理解并容易付诸实践，现在将通过非限制性示例来描述本发明的优选实施方式，该描述参照所附的说明性附图。