基于近場光學的微球超分辨顯微效應?

周銳1)#? 吳夢雪2)# 沈飛1) 洪明輝2)?

1)(廈門大學航空航天學院,廈門 361005)

2)(新加坡國立大學電機工程系,新加坡 117576)

基于近場光學的微球超分辨顯微效應?

周銳1)#? 吳夢雪2)# 沈飛1) 洪明輝2)?

1)(廈門大學航空航天學院,廈門 361005)

2)(新加坡國立大學電機工程系,新加坡 117576)

(2017年3月29日收到;2017年5月16日收到修改稿)

編者按自1873年阿貝提出衍射極限以來,該問題就一直是學術界的研究熱點和難點.近年來,隨著近場光學、表面等離子體亞波長光學、非線性光學等學科的發(fā)展,人們開始在亞波長尺度重新認識衍射極限.本專題針對如何突破衍射極限,以及突破衍射極限之后的新問題,邀請本領域專家學者闡述最新進展和研究趨勢,以期進一步促進相關理論、技術及應用的發(fā)展. (客座編輯:中國科學院光電技術研究所 羅先剛)

在光學成像領域,由于受到衍射極限的限制,常規(guī)成像分辨率在200 nm左右.科學的不斷進步對更高分辨率有著迫切需求,如何突破這個極限來獲得更高質量的高分辨率圖像是熱門研究領域.2011年提出了微球超顯微技術：在原有的光學系統(tǒng)中,將直徑幾微米至幾十微米的透明微球直接置于樣品表面,就能夠成倍提高傳統(tǒng)光學顯微鏡的成像能力.微球超顯微技術以其簡單直接的特點,受到廣泛關注.本文介紹了光學顯微鏡的研究背景以及國內外團隊在微球超分辨顯微技術方面的研究進展,包括通過在微球表面進行環(huán)刻同心環(huán)、中心遮擋和表面涂覆的方法來調節(jié)微球所產生的光子納米噴射方面所開展的一系列研究,并進行了理論模擬和實驗驗證,進一步提升了微球的超分辨顯微效應.最后,展望了今后微球超分辨顯微技術的應用與發(fā)展方向.

光學顯微鏡,微球超分辨,光子納米噴射

1 引 言

光學顯微鏡是利用光學原理,把人眼所不能分辨的微小物體放大成像,以供人們提取微細結構信息的光學儀器.光學顯微鏡的發(fā)明是人類歷史上取得的一項重大成就,它使得人們能夠看到放大成百上千、甚至幾萬、幾十萬倍的肉眼所不能看見的精細結構.1590年,荷蘭的兩位眼鏡工匠Hans Janssen和他的兒子Zacharias Janssenfamil發(fā)明了世界上第一臺光學顯微鏡.后來,經過伽利略,羅伯特·胡可和列文·胡可等的進一步研究改進,在動、植物機體微觀結構的研究方面取得了杰出成就,對科學技術尤其是生命科學的發(fā)展產生了重大的影響.1873年,德國科學家阿貝(E.Abbe)[1]首次提出了光學衍射極限的概念,認為顯微鏡所能看到的物體的最小尺寸為光波長的一半左右(在可見光波段,這一極限大約為200 nm).然而對于生命科學而言,這個尺度遠遠不夠.值得注意的是,阿貝的光學衍射極限的概念是基于光波自身的波動屬性而得到的,而當代許多先進的光學顯微鏡往往是通過光與物質的相互作用來實現(xiàn),這為突破光學衍射極限提供了可能.受到阿貝的啟發(fā),德國科學家Helmholtz[2]提出了著名的分辨率公式,并在1877年由Stephenson[3]進行實驗驗證,這進一步為突破光學衍射極限提供了理論基礎.1942年,Francia首次假定了倏逝波的存在并于1949年進行了實驗驗證[4].倏逝波是一種沿介質界面?zhèn)鞑サ摹⒄穹诖怪庇诮缑娴姆较蛏系碾姶挪?作為一種近場駐波,在傳播過程中,攜帶物體的高頻率亞波長空間信息,其強度隨著與物體表面距離的增加而呈指數(shù)衰減.相對于一般傳播波,倏逝波的平行分量較大,能夠表現(xiàn)出更加精細的細節(jié)信息[5-7].

1970年,Nassenstein[8]采用了一個巧妙的方案,利用倏逝波照射物體,并用全息技術獲得了放大的圖像,所放大圖像的分辨率由倏逝波的波長決定.基于這一方案,1972年,近場掃描光學顯微鏡(near- field scanning optical microscopy,NSOM)由此誕生[9].通過物體表面覆蓋的具有微小針孔(孔徑小于入射光波長)的薄膜,成功進行了首次超越經典光學分辨率極限的亞波長成像.雖然NSOM俘獲的圖像的分辨率優(yōu)于其他大多數(shù)顯微鏡,但探針掃描檢測的方法使得整個系統(tǒng)復雜且成像緩慢,不能進行實時的生物檢測,并受到孔徑尺寸的限制[10].

對于常規(guī)透鏡,圖像的清晰度總是受到光波長的限制.2000年,Pendry[11]通過一系列理論分析和證明,提出了“完美透鏡”的概念,通過具有負折射率(折射率小于零)的人造介質[12-16],能夠恢復傳播波的相位和倏逝波的振幅,放大倏逝波[17].使用這種透鏡,傳播波和倏逝波都可以貢獻于提升圖像的分辨率,使得物體的信息在成像點完美重建,打破了傳統(tǒng)光學顯微鏡的限制,實現(xiàn)了超分辨聚焦的目的.完美透鏡的概念導致了對超材料和等離子體激元研究的激增.遵循Pendry的基本思想,過去十幾年中,世界各地的許多研究團隊和研究人員研發(fā)了多個版本的等離子體超材料超透鏡[18-21],這些超透鏡雖然突破了阿貝的傳統(tǒng)光學限制,但分辨率仍限制在70—100 nm,無法達到生物領域所需的更高分辨率的水平[22,23].

超分辨顯微技術是近年來發(fā)展的最成功的顯微技術.不同于近場成像的NSOM和超材料透鏡,超分辨顯微技術基于遠場成像.它主要有兩種實現(xiàn)途徑：一種是基于特殊強度分布照明光場的超分辨成像方法(如stimulated emission depletion microscopy,STED),另一種是基于單分子成像和定位的方法(如photo activated localization microscopy,PALM).1999年,德國科學家Hell和Wichmann[24]基于愛因斯坦受激輻射理論首次實現(xiàn)了受激發(fā)射損耗顯微技術(STED)[25].通過一束激發(fā)光將熒光分子激發(fā),使基態(tài)粒子躍遷到激發(fā)態(tài),隨后,用另一束環(huán)形STED光照射,使正處于激發(fā)態(tài)的粒子重新回到基態(tài),失去發(fā)射熒光的能力.剩余的可發(fā)射熒光區(qū)被限制在一個小圓環(huán)范圍內,相當于獲得了一個小于衍射極限的熒光發(fā)光點,進而獲得突破傳統(tǒng)衍射極限的超分辨率圖像.

為了克服一個艾里斑內只允許一個分子發(fā)射熒光的限制,2006年,Betzig等[26]利用光激活綠色熒光蛋白(PA-GFP)的可控熒光開關特性,結合單分子定位算法,實現(xiàn)了生物樣本的超分辨成像.他們首先利用低能量的405 nm激光來稀疏活化PA-GFP,再使用561 nm激光對活化后的PA-GFP進行單分子熒光成像,直至活化后的PA-GFP分子被光漂白.重復激活-激發(fā)-定位-漂白過程,可以在艾里斑內精確地找到大量PA-GFP分子的中心位置,從而重建出一幅由PA-GFP分子中心位置組成的超分辨圖像.這種技術被稱為光激活定位顯微鏡(PALM).2014年,因在超分辨熒光技術領域取得的重大成績,Eric Betzig,Stefan W.Hell William E.Moerner獲得了諾貝爾化學獎,體現(xiàn)了光學成像在科學發(fā)展中的地位.但是,STED和PALM等技術仍存在許多不足.例如,PALM只能用來觀察外源表達的蛋白質,而對于分辨細胞內源蛋白質的定位則無能為力.同時,需要注意的是,這些技術是基于熒光材料,而不是超高分辨率的透鏡,對于無法使用熒光標記的物體也束手無策.而且,熒光的使用可能導致生物原始性質的改變,并影響其動態(tài)過程[27-30].因此,開發(fā)不需要進行標記的高分辨率透鏡非常關鍵.

以上對光學成像的探索雖然取得了一定的進展,或多或少的打破了傳統(tǒng)光學衍射極限的限制,但上述這些技術所實現(xiàn)的分辨率在不同條件下仍被限制在70—100 nm之間.2011年,本課題組洪明輝教授及其博士研究生與李林教授合作,發(fā)現(xiàn)了一種新穎的微球超分辨顯微技術[31].他們將光學透明微球(如二氧化硅微球,直徑為2—9μm)放置在所需成像物體的表面,結合傳統(tǒng)光學顯微鏡,打破了傳統(tǒng)光學衍射的極限.在透射模式下,依靠直徑4.74μm的微球,成功分辨了具有50 nm直徑和間隔孔的魚網鍍金陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide,AAO)膜樣品,在反射模式下清晰地分辨了用于DVD磁盤的GeSbTe(廣泛用于光存儲和電存儲研究的相變材料)薄膜上所帶有的90 nm尺度邊角呈復雜星形的結構.在后續(xù)實驗中,不論反射或透射成像模式,都可以觀察到50 nm的微小樣品.這種新的無需標記且方法簡單的微球超分辨顯微技術,相對于之前的光學顯微技術有了更進一步的突破,吸引了許多研究人員致力于微球超分辨顯微技術的研究[32-44].

2 微球光學顯微鏡

微球超分辨顯微效應與微球本身的物化性質(不同尺寸、材料以及折射率)[45-47]、實驗環(huán)境(不同入射光、微球浸沒或半浸沒)以及樣品本身等因素有關[48-52].為了進一步了解Wang等[31]發(fā)現(xiàn)的微球超顯微分辨技術,Hao等[53]在Wang等人的微球實驗基礎上進行改進,發(fā)現(xiàn)當把微球半浸沒于液體中時,微球內部虛像的對比度能被極大地增強,但將微球完全浸沒于液體時,并沒有獲得預期的增強效果.圖1為Hao等所進行的實驗模擬圖,其實驗裝置包括反射模式下的光學顯微鏡NIKON Eclipse 80i、樣品(藍光光盤的芯片,槽脊寬200 nm,槽寬100 nm,如圖2(a))、二氧化硅微球(直徑3μm,折射率1.47)以及乙醇溶液層.

從圖2中可以觀察到,液體半浸沒后微球顯微鏡的能力被明顯增強.考慮到乙醇層的揮發(fā)性, Hao等用視頻記錄下了成像的動態(tài)過程.當乙醇蒸發(fā)至微球一部分暴露時,暗條紋出現(xiàn)在微球體內,并且逐漸變得清晰,圖像邊界更加尖銳,如圖2(d).當乙醇完全蒸發(fā)消失之后,圖像再次變得模糊.他們對其中的機理做了詳細的說明.Hao等發(fā)現(xiàn)的微球浸沒后得到的圖像更清晰,對比度增強,分辨率更高,但所帶來的缺點是放大倍數(shù)的降低.無浸沒時3μm二氧化硅微球對藍光光盤的成像倍數(shù)為2.7倍,浸沒于乙醇中時,放大倍數(shù)隨浸沒深度的變化相應地發(fā)生改變.

圖1 半浸沒微球成像系統(tǒng)的實驗裝置[53]Fig.1.Semi-immersion experimental con fi guration of microsphere-based nanoscope[53].

圖2 通過不同方式產生的藍光盤表面圖像 (a)掃描電子顯微鏡;(b)具有100×物鏡的光學顯微鏡;(c)3μm微球;(d)半浸沒在乙醇中的3μm微球[53]Fig.2.Images of the surface of the blue-ray disk generated by di ff erent technical methods：(a)Scanning electron microscope;(b)optical microscope with 100 objective lens;(c)3μm microsphere;(d)3μm microsphere semi-immersed in the ethanol droplet[53].

不同于Wang等[31]使用的2—9μm的二氧化硅微球,Lee等[54]通過與傳統(tǒng)光學顯微鏡相結合研究了更大尺寸的聚苯乙烯微球(直徑為30,50, 100μm)對圖像分辨率的影響.

在實驗過程中所用的樣品為脊寬180 nm、槽寬120 nm的藍光光盤(圖3(a))和在石英上具有150 nm直徑點和600 nm間隔的金納米圖案(圖3(b)).微球通過水滴散布在樣品表面,干燥后在反射模式下觀察.

圖3 (a)藍光盤;(b)石英上的金納米板的SEM圖像[54]Fig.3.Scanning electron microscope(SEM)images of(a)blue-ray disc and(b)gold nano-patterns on quartz[54].

根據衍射極限的限制,本次實驗所用光學顯微鏡的分辨極限在300 nm左右.在樣品表面放置微球之后,能清楚地觀察到突破傳統(tǒng)衍射極限的圖案,如圖4所示.對于不同直徑大小的微球,光學顯微鏡通過調整不同的聚焦位置來獲得最佳的圖像.對比圖4(d),(e),(f)可以看到,對于30和50μm的微球,在較大面積成像時,由于相鄰微球之間的重疊干涉而影響超分辨效果.100μm的微球則可以有效避免這種情況,因為微球體的觀察窗大于光學顯微鏡的觀察窗,不會受到相鄰微球的邊界干涉影響.Lee等[54]研究發(fā)現(xiàn)大尺寸微球(直徑大于30μm)也能夠在非浸沒的空氣環(huán)境中實現(xiàn)超分辨成像,特別是相對于Wang等[31]研究所用的2—9μm小微球而言,消除了相鄰干涉的影響并實現(xiàn)了更大范圍的超分辨成像.

此外,他們還發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)與圖像聚焦位置相關.圖5為不同尺寸微球在藍光光盤上的成像放大倍數(shù)和圖像聚焦位置的折線關系.在折線圖范圍之外,超分辨成像能力消失.當焦點位置遠離樣品時,放大率上升,但隨之而來的是分辨率和對比度的下降.同樣,放大倍數(shù)也取決于微球的尺寸,當α=3.0時,30,50,100μm的微球放大倍數(shù)分別為6.5,7.5和8.0倍.由于倏逝波不具有衍射極限,因此成像分辨率很大程度上取決于對標準傳統(tǒng)光學顯微鏡所能放大的倍數(shù)和轉換處理圖像的方式.對于具有300 nm的衍射極限的該特定光學顯微鏡,在理想情況下約7倍的微球放大將允許光學顯微鏡觀察到的樣品細節(jié)達到43 nm(以300 nm/7來估算).

圖4 不同直徑微球下藍光盤(a)—(c)和石英金納米板(d)—(f)的放大圖像 (a)直徑30μm,焦距99μm;(b)直徑50μm,焦距120μm;(c)直徑100μm,焦距300μm;(d)直徑30μm,焦距60μm;(e)直徑50μm,焦距140μm;(f)直徑100μm,焦距200μm[54]Fig.4.Magni fi ed optical images with 30,50,and 100μm diameter PS microspheres in air：The blue-ray disc is resolved with(a)30μm,(b)50μm and(c)100μm PS microspheres when the optical microscope is focused 99,120 and 300μm below the target surface,respectively;the gold nano-patterned quartz is observed with the(d)30μm,(e)50μm and(f)100μm PS microspheres 60,140 and 200μm below the target surface,respectively[54].

圖5 藍光盤中微球放大因子折線圖 其中α定義為目標基板下方的焦點圖像位置除以微球的直徑,折線上圓點為超分辨圖像采樣位置[54]Fig.5. Magni fi cation factor analysis of PS microspheres in the blue-ray disc.α is de fi ned as the α focal image position below the target substrate divided by the diameter of the PS microsphere.The circle spots are sampling positions for super-resolution imaging[54].

在一般的微球顯微效應研究中,通常采用同一波長的光源照射,而改變其他可能影響超顯微效應的參數(shù).Lee和Li[55]從理論上研究了光子納米噴射效應,進一步推測出光源波長對成像的影響.他們使用的小球直徑為60μm,折射率為2.2,并浸沒在水中,用波長分別為400,500,600和700 nm的平面波照射,在四種情況下光強最大處分別得到了0.69λ,0.63λ,0.59λ以及0.62λ的半高全寬(full with at half maximum,FWHM)和5635, 5212,4867,5059 nm的光強最大處與微球表面的距離(distance for the maximum intensity,DMI).由此可見,當入射光的波長改變時,微球仍然具有光子納米噴射效應,同時產生了不同的光強分布,對進一步研究微球超分辨顯微效應具有指導意義.

3 微球光學顯微鏡成像效果的拓展

微透鏡具有優(yōu)異的調節(jié)入射光的能力,能夠產生約一半入射波長的超過光學衍射極限的小焦斑.其中,研究最多的微透鏡是微球和微柱.2000年,Lu等[56]通過二氧化硅粒子增強了激光照射.后來,Chen等[57]研究了在平面波照射下微柱體陰影側的電場增強,提出了“光子納米噴射”的概念.光子納米噴射具有優(yōu)異的光學性能,如非交聯(lián)性、較強的局部電場以及尖銳的焦點,能夠應用于納米顆粒檢測、光學納米光刻和超分辨率成像等領域[58-62].其中,如何獲得更加尖銳的焦點是其關鍵問題,它體現(xiàn)了微球的聚焦能力.在光學超分辨成像中,樣品與光子納米噴射相互作用,產生散射波,通過微球傳播并最終成像,將微球的超分辨能力推向新的極限[63].

為了調整光子納米噴射的傳播距離和波寬,先前的科研團隊采用了很多方法.如：通過組合不同折射率的材料來調節(jié)光子納米噴射的傳播距離和聚焦,提出了雙層介質微球或不同折射率的微球[64,65];設計為半球形的單材料結構[66].雖然在一定程度上提高了傳播距離,但是降低了光子納米噴射的強度.至今為止,通過構造表面微結構來調整光子納米噴射的方法尚未提出.表面微結構具有改變光路傳播方向的能力,因此本課題組提出了一種通過在傳統(tǒng)微球表面構造微結構,從而調諧微球所產生的光子納米噴射的FWHM[67]和工作距離的新方法[68].

圖6 (a)光學顯微鏡觀察光子納米噴射示意圖,位于物鏡和CCD之間的透鏡表示光學顯微鏡中的聚焦透鏡;(b)4環(huán)構造微球的俯視圖;(c)4環(huán)構造微球的側視圖[68]Fig.6.(a)Schematic of observing photon nano jet (PNJ)by an optical microscope,the lens located between the objective lens and CCD represents for the focusing lenses in the optical microscope,(b)top and (c)side views of a 4 ring microsphere[68].

如圖6所示,微球材料為二氧化硅,微球表面照射處經過表面修飾,構造出同心環(huán)微結構(同心環(huán)寬為0.25μm).由于微球尺寸小(大約10μm),在實驗中設計了薄的金膜以承載小微球,金膜由常規(guī)的UV光刻和金電鍍制成.具體步驟為：利用激光直寫系統(tǒng)(海德堡儀器公司的UPG),在旋涂有530 nm的AZ1518光致抗蝕劑層的100 nm厚鉻基底進行光刻;然后,清潔500μm厚的硅晶片,并用薄層的Cr/Au(100 nm/50 nm)作為黏合和電鍍基底;再通過旋涂沉積5μm厚的AZ9260抗蝕劑,然后通過UV光在掩模和鍵合Aligner(Karl Suss, MA8/BA6)中曝光;抗蝕劑顯影后,剩余的抗蝕劑模具用于金電鍍以形成金層,用丙酮和金蝕刻劑除去AZ 9260抗蝕劑和Au鍍層;最后,通過Cr蝕刻將整個金膜從襯底中釋放出來.將整個結構浸入稀釋的水中,把微球分散在金膜上,取出后,在環(huán)境氣體中干燥,在FEI DA 300聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)下,使用30 kV和50 nA的液態(tài)金屬鎵離子源在微球表面構造同心環(huán)結構.實驗過程中,控制金膜上的小微球以50 nm的步長沿Z軸移動.通過時域有限差分法( fi nite-di ff erence time-domain, FDTD)模擬,研究同心環(huán)環(huán)數(shù)和深度等因素對微球光子納米噴射的影響.

首先,我們研究了在數(shù)值模擬中,保持深度一定(1.2μm),通過變化環(huán)數(shù)(0—6環(huán))來研究其對光子納米噴射的影響,模擬結果如圖7所示.

入射光照射在微球頂部,通過同心環(huán),最后聚焦在陰影側.與沒有經過表面修飾的微球相比,4環(huán)微球使得光束更加匯聚,如圖7(b)—(d).圖7(e)為環(huán)數(shù)為0—6時的光子納米噴射的最高強度點沿y軸的分布,可以明顯地觀察到FWHM的縮小.入射光波長(λ)為405 nm,FWHM從274.2 nm(無環(huán),0.686λ)降低至182.8 nm(6環(huán),0.457λ),降低了33.3%.環(huán)數(shù)從變化到3時,FWHM快速下降,當環(huán)數(shù)為4時,FWHM為194.3 nm(0.486λ),相對無環(huán)降低了29.1%.雖然FWHM下降明顯,但是從圖中我們可以看到,光強和工作距離也隨之減少.因此,為了平衡工作距離以及FWHM,我們選擇4環(huán)微球進行更進一步的模擬和實驗.環(huán)深度為微球表面到環(huán)底部的距離,將環(huán)數(shù)固定為4后,我們繼續(xù)研究環(huán)深度對FWHM和工作距離的影響.

圖8為環(huán)數(shù)4的不同環(huán)深(0—1.6μm)產生的光子納米噴射的FDTD模擬.其中,沒有環(huán)時,微球產生的FWHM為274.2 nm(0.686λ).相比之下,當環(huán)深度為1.2μm時,FWHM可以被調制到194.3 nm(0.486λ),減少了29.1%.圖8(f)為不同環(huán)深下光子納米噴射的工作距離和FWHM折線關系圖,可以觀察到,環(huán)深度較淺時(0.2—0.6μm)時,對應的工作距離較長,FWHM較大(約260 nm),環(huán)深在1—2μm時,工作距離較短,FWHM較小(約200 nm).可以得出結論,最小FWHM可以在0.8μm的深度處實現(xiàn).當深度淺于0.8μm時, FWHM和工作距離的變化不明顯.當深度大于0.8μm時,工作距離沒有顯著變化,但是FWHM略有增加.在淺深度(1.0μm)進行的調制足以實現(xiàn)尖銳的光子納米噴射.從結果可以總結,蝕刻深度在0.8—1.4μm之間可以產生清晰的聚焦,并且平均工作距離約為0.8μm.因此,我們選擇1.2μm的環(huán)深度以在實驗上評價聚焦能力.

圖7 0—6環(huán)構造微球下產生的光子納米噴射 (a)表面構造微球的橫截面視圖;(b)—(d)在Y Z平面中具有,2和4個環(huán)的微球的光強分布;(e)在光子納米噴射的最高強度點處沿y軸的光強度分布;(f)FWHM和工作距離與環(huán)數(shù)的關系[68]Fig.7.PNJ generated by CRMS with 0 to 6 etched rings on the illumination side of CRMS：(a)Cross-section view of the CRMS;(b)–(d)light intensity distribution of CRMS with 0, 2 and 4 rings in the Y Z plane;(e)light intensity distribution along y axis at the highest intensity points of the PNJ; (f)dependence of FWHM and working distance of the PNJ on ring number[68].

為了驗證具有表面微結構的微球成像的功能,我們通過光學顯微鏡直接觀察光子納米噴射,以便于比較具有和不具有表面修飾微球所產生的效果.圖9(a)—(c)分別為環(huán)深1.2μm的4環(huán),單環(huán)微球和普通無構造微球.圖9(d)—(f)為沿Z軸步長50 nm下所采集的10個光強分布的原始圖像,可以看出,工作距離隨環(huán)數(shù)減少,這與模擬結果一致.具有4環(huán)的表面構造微球產生的光子納米噴射的FWHM比單環(huán)以及普通微球更加尖銳.對于4環(huán)構型,觀察到247.1 nm的FWHM,與僅由微球體(343.1 nm)獲得的結果相比,實現(xiàn)了FWHM的顯著降低(28.0%).

圖8 環(huán)深由變化至1.6μm下微球產生的光子納米噴射的FDTD模擬[68]Fig.8.FDTD simulation of PNJs generated by microspheres with ring depth changed from 0 to 1.6μm[68].

圖9 在405 nm激光照射下(a)4環(huán),(b)單環(huán)和(c)普通微球產生的光子納米噴射的實驗結果;(d)4環(huán),(e)1環(huán)和(f)普通微球在Z軸上以50 nm間隔拍攝的10個圖像;(g),(h),(i)為沿水平方向3種微球的強度分布[68]Fig.9.Experimental results of the PNJ generated under 405 nm laser illumination by(a)4 rings,(b)single ring microsphere and(c)microsphere only;10 raw images of light intensity distribution along Z axis for (d)4 ring microsphere;(e)1 ring microsphere and(f)microsphere only are listed;the images are taken with a separation of 50 nm in Z axis,10 images are chosen for each con fi guration to show the change at the focal plane;the intensity distributions along horizontal direction are plotted in(g),(h)and(i),respectively[68].

在以上的研究工作中,我們提出了表面構造來調節(jié)微球光子納米噴射的新方法,通過具有表面修飾同心環(huán)的二氧化硅微球,研究了所產生的光子納米噴射的FWHM和環(huán)數(shù)以及環(huán)深的關系.在4環(huán)1.2μm得到了良好的實驗結果,并與模擬仿真結果一致.但是,由于環(huán)調節(jié)光束的傳播方向所帶來的散射效應,導致工作距離與光強也相應減少.

此外,本課題組還提出了一種新的通過微球表面中心覆蓋來調節(jié)入射光,實現(xiàn)尖銳光子納米噴射的方法[69].我們在微球照射側表面的中心設計一層掩膜,作為過濾器,有選擇性地將原始的入射光束引入到微球之中,實現(xiàn)光子納米噴射的FWHM和工作距離的改變.為了在微球表面沉積鉑層作為掩膜,在FEI DA 300聚焦離子束系統(tǒng)下,使用30 kV和50 nA的液態(tài)金屬鎵離子源,在微球頂部制造約1μm厚的具有不同直徑的鉑層,在FIB制造期間,掩膜圖案的中心與微球的光軸對準.為了表征中心覆蓋微球所產生的光子納米噴射,我們構建了實驗裝置,應用低功率He-Ne 633 nm線偏振激光器(MellesGriot,25-LHP-925-230)作為入射光源.應用半波片來形成光束的線性偏振,并且使用衰減器來將激光強度調諧到期望的亮度.為了操作三維工程微球,制成薄金膜(該金膜制作過程與上文相同),起到微球透鏡支架的作用.金膜的厚度約為5μm,金膜孔與微球的直徑相匹配.在表征實驗期間,單一微球被置于照射光束下.為了記錄光子納米噴射的x-y平面反射模式,使用了高倍數(shù)物鏡(Olympus,LMPlan Apo 150×,NA 0.9)和高分辨率互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機(尼康數(shù)碼單反相機FX格式CMOS傳感器,4908×3264像素).在表征之前,進行CMOS相機的像素尺寸的校準.測試樣品使用前經過掃描電子顯微鏡(SEM)檢查.通過校準SEM和光學圖像中的長度,可以獲得CMOS相機的每個像素的大小.光子納米噴射的橫截面在焦平面附近被俘獲.對于每個覆蓋率,制造三個微球體.基于多次實驗結果總結了最終的結果(本部分中其他實驗的表征系統(tǒng)與此實驗相同).最終實現(xiàn)在633 nm波長的平面波照射下,得到了245 nm(0.387λ)的焦點.

圖10為通過線性偏振光照射后中心覆蓋掩膜的微球聚焦示意圖.其中,微球直徑為10μm,折射率1.5.入射光是波長為633 nm的沿z軸指示方向照射的平面波.厚約1μm的鉑沉積在微球表面,作為中心覆蓋的掩膜.當覆蓋的掩膜引入微球照射側中心后,在入射光軸附近的光線被反射,因此,只允許與光軸相距較遠的光線通過.根據光傳輸和反射的斯涅耳定律,更遠離光軸傳播的入射光束將聚焦在微球體的表面附近.這些光束經微球聚焦后,與光軸形成不同的角度.焦斑的強度被計算為最小角度到最大角度的積分.注意到經微球聚焦之后,離光軸較近的光束與光軸形成的角度小,和具有低數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)的聚焦透鏡相似,在低NA下,焦斑的工作距離較長,尺寸較大.而對于遠離光軸的光束而言,聚焦現(xiàn)象類似于高NA的聚焦,入射光束經過微球形成相對更加尖銳的焦點,工作距離短.我們在微球上設計了中心覆蓋的掩膜來調整光子納米噴射,為了進一步的研究,提出了覆蓋率的概念(俯視圖下：覆蓋率=掩膜半徑/微球半徑),研究不同覆蓋率下調整入射光束所得到的效果.當覆蓋率改變時,進入微球的入射光量也相應改變,在大覆蓋率下,只有薄環(huán)形光束被微球聚焦.為了評估在X軸線性偏振聚焦束下中心覆蓋微球的性能,我們使用了3D FDTD進行模擬,并在Y Z平面收集結果.在微球邊界外沿著光軸的最高強度點處討論光子納米噴射的FWHM和工作距離.線性偏振的模擬結果如圖11所示.

圖10 用于線性偏振光束的超聚焦中心包覆微球的設計[69]Fig.10. Design of the center-covered microsphere for super-focusing of linear polarized beam[69].

無任何覆蓋層時,在633 nm入射光照射下產生的FWHM為424.11 nm(0.67λ).覆蓋率增加時, FWHM降低并且逐漸獲得低于衍射極限(0.5λ)的FWHM.在較大覆蓋率下(0.6—0.8)時,只有薄環(huán)形光束能夠通過微球體并聚焦,得到的FWHM約為259.57—208.33 nm,觀察到了尖銳的焦點和較大的旁瓣.在覆蓋率為0.8時得到了0.33λ的尖銳焦點.微球覆蓋率增加時,工作距離減少,如圖11(b),使得光子納米噴射更加接近微球陰影側表面.同時,由于鉑覆蓋層的存在,減少了微球中光束的通過量,導致光子納米噴射的強度降低.我們對此進行了進一步的驗證.

圖11 (a)不同覆蓋率下FWHM/λ的模擬結果;(b)不同覆蓋率下工作距離(WD)的模擬結果[69]Fig.11.(a)Simulated FWHM/λ value for di ff erent cover ratios;(b)simulated working distance(WD)for di ff erent cover ratios[69].

圖12(a)為各個覆蓋率下實驗結果與模擬結果的對比圖,表面覆蓋率從0增加到0.78,步長約為0.13.覆蓋率為時,測得410 nm(0.647λ)的FWHM,與模擬結果相似.隨著覆蓋率的上升,光子納米噴射所產生的焦斑尺寸減小,呈下降趨勢.當覆蓋率超過0.603時,實現(xiàn)了中心覆蓋微球的超聚焦效應.從圖12(b)中可以觀察到,覆蓋率為0時,沒有旁瓣產生,而當覆蓋率增加到0.78時,旁瓣增大,強度分布類似于貝塞爾光束(Bessel beam)[70-72].

雖然在微球表面構造同心環(huán)和中心沉積鉑覆蓋的方法都實現(xiàn)了較好的FWHM的降低以及工作距離和強度的改變.然而,這些結構制造復雜,并且無法進行動態(tài)自動調整.于是,我們提出了一種通過改變溫度來實現(xiàn)動態(tài)調整FWHM的方法,并且無需改變微球參數(shù).我們將微球進行簡單處理,用二氧化釩涂覆在微球照射側半球之上.二氧化釩是一種相變材料,相變溫度為68°C.在68°C以下時,二氧化釩為半導體,溫度升高至68°C以上,發(fā)生相變,變?yōu)榻鹣嗖牧?隨相變帶來的是折射率的改變[73-75].對比其他相變材料,二氧化釩相變溫度低,相變能夠輕易實現(xiàn),且相變可逆,反應快速,無明顯滯后現(xiàn)象.同時,由于較低的相變溫度以及所使用的玻璃微球的熱膨脹系數(shù)較低,可以忽略微球熱脹冷縮所帶來的影響,因此,二氧化釩被認為是一種合適的微球表面涂覆材料.理論上,我們認為表面涂覆材料折射率隨溫度的改變從而能夠導致光子納米噴射的FWHM,工作距離和強度發(fā)生變化,并進一步進行了仿真模擬和實驗驗證,研究涂覆層厚度和微球參數(shù)之間的關系對結果的影響.

圖12 中心覆蓋微球在不同覆蓋率下光束尺寸的模擬和實驗結果 (a)光子納米噴射器的束寬度與覆蓋率的關系; (b)由CMOS照相機俘獲的光子納米噴射器沿光軸的橫截面的歸一化強度分布[69]Fig.12.Simulation and experimental results of the beam size for center-covered engineered microspheres at di ff erent cover ratios：(a)Dependence of the beam width of the photonic nanojet on cover ratio;(b)normalized intensity distribution of the cross-section of the photonic nanojet along the optical axis captured by the CMOS camera[69].

仿真原理如圖13所示,二氧化釩只涂覆在微球入射側,因為高溫下二氧化釩具有金屬性質,不在陰影側涂覆是為了防止發(fā)生微球內反射.所用入射光波長為800 nm.光束主要通過二氧化釩涂層從頂表面進入微球體,一部分通過涂層邊緣衍射而穿過微球體側面進入微球體.二氧化釩通過兩種途徑來調節(jié)光子納米噴射,一方面首先是折射率的改變,另一方面則是二氧化釩變?yōu)榻饘傧嗪?增加了涂層對光的吸收,從而改變了微球內部的光強度.

圖13 光照射方向涂覆二氧化釩的微球示意圖[76]Fig.13.Schematic of VO2-coated microsphere with direction of illumination indicated[76].

如圖14所示為不同涂覆厚度下光子納米噴射分別在20°C(相變前)和90°C(相變后)的FWHM,工作距離和強度的關系折線圖.可以觀察到當涂覆厚度達到140 nm時,FWHM從溫度20°C升高至90°C后變化明顯.但當涂覆厚度過厚時(超過150 nm),工作距離為負,即在微球體內部聚焦,且整個涂層幾乎不透明,導致入射光強度大大降低.因此經過綜合考慮,確定75 nm厚度的涂覆層較為合適.

同時,在確定涂覆厚度為75 nm的情況下,本課題組研究了最適合用于調節(jié)光子納米噴射的FWHM的微球的直徑和折射率,模擬結果如圖15所示.從圖15(a)可以觀察到,光強度和微球直徑成正比,這是因為隨著直徑增大,微球所暴露出來的面積更大,能夠吸收更多的光束通過而形成聚焦.在直徑為5μm時,FWHM隨涂覆層溫度變化下降明顯,綜合考慮后,認為4μm或5μm為比較合適的微球尺寸.微球的折射率是影響光子納米噴射的關鍵的參數(shù),我們在確定涂覆二氧化釩厚度75 nm、微球直徑5μm的前提下,進行了進一步模擬,研究微球折射率變化所帶來的光子納米噴射的FWHM以及工作距離和強度隨涂覆層相變而帶來的改變.折射率增加時,FWHM變得更窄,工作距離變短,強度上升.當折射率過大(大于1.55時),光子納米噴射在微球體內發(fā)生,如圖15(b)中間圖小方框所示,工作距離為負值.類似地,我們認為折射率1.5時所帶來的FWHM和工作距離的改變較為合適.

為了進一步降低二氧化釩相變后光子納米噴射的FWHM和工作距離,進行了射線分析,分析結果與FDTD模擬結果一致.我們通過在直徑為5μm、折射率為1.5的微球上涂覆75 nm厚的二氧化釩涂覆層,應用二氧化釩材料隨溫度變化的相變特性,實現(xiàn)了自動調節(jié)光子納米噴射的功能,對進一步實現(xiàn)超分辨率成像具有重要意義[76].

圖14 涂覆厚度在0—200 nm下光子納米噴射對應的(a)FWHM,(b)WD,(c)強度;垂線右側點為聚焦在微球內部的點[76]Fig.14.(a)FWHM,(b)WD and(c)intensity of the PNJ versus thickness of VO2coating(nm).Points to the right of the vertical line are points where the focus spot occurs inside the micro-sphere.Thickness of the coating layer varies from 0 to 200 nm[76].

4 成像機理

微球的成像機理在全世界引起了熱議.有觀點提出微球超分辨顯微技術是通過將倏逝波轉化為傳播波來提高分辨率以打破光學衍射極限[50,77],其機理與亥姆霍茲方程[78]有關.在均相介質中：

圖15 (a)光子納米噴射的FWHM,工作距離和強度與微球直徑的關系,直徑為3—8μm;(b)光子納米噴射的FWHM,工作距離和強度與微球折射率的關系,折射率為1.3—1.6,藍框內光子納米噴射發(fā)生在微球內部[76]Fig.15.(a)FWHM,WD and Intensity of the PNJ versus diameter of the microsphere,diameter varies from 3.0 to 8.0μm; (b)FWHM,WD and Intensity of the PNJ versus refractive index of the microsphere,the refractive index of the microsphere varies from 1.3 to 1.6,the boxed-up area indicates the points where the PNJ occurs within the microsphere[76].

其中k0=(2πn)/λ;n為折射率;kx,ky,kz為波矢分量.倏逝波可以被獲得,當

隨著z方向上波的倏減,kz可忽略不計.當波矢分量在x和y平面上增加,或者λ的值減少時,分辨率提高,結果導致倏逝波也同時倏減.微球超分辨顯微技術可以通過將倏逝波轉化為傳播波來突破這些限制.在微球光學納米顯微鏡中,電磁(EM)場(E(x,y))由微球以外的成像平面來調節(jié).它被轉化為

其中變換函數(shù)G(x,y)和E′(x,y)可以通過幾何光學和微球的成像平面計算,G(x,y)表示微球外成像平面從物體平面到某一特定平面的轉換.超分辨效應可以通過分析空間波矢坐標來解釋.通過傅里葉變換,G(x,y)可以表示為波矢空間坐標

傅里葉振幅A(kx,ky)由E(x,y)的傅里葉逆來確定,為

其中kx和ky為x和y方向的波矢分量,E′(x,y), E(x,y)和G(x,y)分別由(3),(4),(5)式得出.由E′(kx,ky)可以得到

空間波矢量傳遞函數(shù)G(kx,ky)和A(kx,ky)的卷積導致空間波矢量的拓展.因此,物體平面中的倏逝波通過卷積變換到傳播波,波矢的拓展顯著地受到具有非常寬范圍坐標(kx,ky)的G(kx,ky)影響.

垂直于平坦且平滑的金屬邊界平面入射的平面電磁場是均勻反射平面波的折射.在微球光納米顯微鏡中,物平面在某些點處彎曲,其中物體具有凹和凸表面.在凸表面,反射電磁波束是發(fā)散的,因此減小了在這些點附近的電磁場強度.而在凹表面,反射電磁波匯聚,因此增加了這些點附近的電磁場強度.在物平面附近的反射電磁場具有對應于物體曲率屬性的可變電磁場強度.

對于穿過物平面的透射電磁場發(fā)生類似的效應,其中凸和凹表面影響物平面附近的電磁場分布.凹面導致透射電磁波束的匯聚,而凸面導致光束發(fā)散.這種效應導致物體的電磁成像,包括它們的精細結構,可以遠小于波長.因此,超分辨率成像通過由微球收集的這種電磁波實現(xiàn),其吸收倏逝波并將其轉換成傳播波.

另外,從幾何光學角度分析微球透鏡的光學成像特性及其與常規(guī)顯微物鏡配合實現(xiàn)高分辨顯微的成像原理[79],如圖16所示.

圖16 基于微球的高分辯成像原理圖 (a)微球及其成像特性圖解;(b)微球與常規(guī)顯微物鏡配合的高分辨率(高倍率)顯微成像示意圖[79]Fig.16. High-resolution imaging of microspheres based on microspheres：(a)Microspheres and their imaging characteristics;(b)high-resolution(high magni fi cation)micrographs of microspheres with conventional microscopic spectroscopy[79].

圖16(a)中,設微球透鏡的焦距為f′,折射率n,半徑為r,則有

根據物距l(xiāng),像距l(xiāng)′和焦距f′的關系式

可以推導出微球的成像放大倍率M,

當微球處于樣品表面時,如圖16(b),d=0,物距l(xiāng)為

將(7)式與(10)式代入(9)式,可得

由(11)式可知,當樣品位于微球下端面時,微球對樣品的放大倍率M與微球直徑(或半徑r)無關.

假設已知二氧化硅微球的折射率約為n= 1.46,計算得到M=2.7.若采用二氧化硅微球,可預先將樣品的微納米結構放大約2.7倍(一次放大);然后,經過后續(xù)的常規(guī)顯微物鏡接收,再將微球視場內的樣品結構進一步放大(二次放大),從而獲得比采用相同顯微物鏡時更高的放大倍率和更高的分辨率,為實現(xiàn)微納米樣品的超分辨成像提供了新途徑.

此外,2016年,Yang等[80]提出微球超分辨成像是由光子納米噴射的腰部(即最小FWHM處)決定的概念,用一種定量的方式描述光子納米噴射對于超分辨率成像的作用,如圖17所示.首先,使用有限元法(FEM)對被不同尺寸微球匯聚的光進行系統(tǒng)的數(shù)值研究,使納米噴射形成于微球的后表面,并且將微球的理論放大系數(shù)與光子納米噴射的光聚焦能力相關聯(lián).

圖17 納米噴射的生成概念[80]Fig.17.Concept of the nanojet generation[80].

當入射光源照射微球時,位于微球左側和微球右側的平行波矢分量相互干涉而消除,而垂直波矢分量由于左右側的疊加作用,使得光子納米噴射沿波傳播方向進一步延伸.他們運用波長600 nm的光源,在水介質(折射率1.33)中進行通過直徑為2—20μm的鈦酸鋇玻璃微球(折射率1.92)的光波傳播有限元研究.

如圖18所示,當微球直徑為6μm時,光子納米噴射匯聚在微球下表面;當微球直徑增加到16μm時,納米噴射聚焦在微球下表面外;微球直徑減少到2μm時,納米噴射聚焦在微球內部.為了定量研究光是如何由微球聚焦從而產生光子納米噴射這個問題,他們將從微球上表面處進入的折射光的線性區(qū)域記為L,下表面處出射光束的寬度記作l,光子納米噴射的腰部記作w.

圖18 (a),(b),(c)分別為光通過水中2,6和16μm鈦酸鋇微球的有限元模擬[80]Fig.18.(a),(b)and(c)FEM simulation of the light propagation through a 6,2,16μm barium titanate microsphere in water,respectively[80].

圖19 微球的成像機理[80]Fig.19.Imaging mechanism of a dielectric microsphere[80].

圖19示意了微球的成像機理,當被微球聚焦的光照射樣品時,不產生納米噴射,而是遵循反射光的光學反射對稱路徑.當微球與光柵之間的距離h足夠小時,包含物體高頻空間信息的倏逝波被轉換為微球內的傳播波.同時,在遠場中產生放大因子為M的虛像.由于涉及的相同的光學路徑,數(shù)值研究中,微球的成像能力與聚焦光子納米噴射的形成直接相關.

如圖20所示,分別描述了由比率L/l表示的微球光聚焦能力和由w/λ表示的光子納米噴射的腰部分別與微球直徑的函數(shù).較大的L/l表示微球更好的光聚焦并且對應于納米噴射的較小腰部.根據模擬分析,直徑為6μm的微球顯示出最佳的光聚焦能力和最小的光子納米噴射的腰部.

圖20 (a)微球直徑和比率L/l表示的聚焦能力的有限元模擬結果;(b)微球直徑和光子納米噴射腰部與波長比率的有限元模擬結果;圖中黑點為模擬所得,紅線為指示線[80]Fig.20.(a)FEM simulation results of the light focusing capability of a microsphere,expressed by the ratio L/l,as a function of the microsphere diameter;(b)FEM simulation results of the normalized waist of the photonic nanojet w/λ,as a function of the microsphere diameter.The dots are obtained from the simulation,while the red dotted line is a guide to the eye[80].

同時,進行了進一步的實驗驗證,如圖21所示,將實驗獲得的放大因子M與從模擬獲得的理論光聚焦能力L/l進行比較時,獲得與Pearson相關系數(shù)(反映兩個變量線性相關程度的統(tǒng)計量,絕對值越大,相關性越強)為0.91的正相關,表明微球具有更好的光聚焦能力,可以獲得更高的放大系數(shù).

圖21 (a)實驗所得放大因子與微球直徑關系圖;(b)實驗放大因子與模擬所得的表示光聚焦能力的比率L/l關系圖;實線代表Pearson相關系數(shù)為0.91的線性擬合曲線[80]Fig.21.(a)The dots represent the experimental magni fi cation factor as a function of the microsphere diameter, while the solid line is a guide to the eye;(b)the experimental magni fi cation factor M as a function of the light focusing capability L/l obtained from the simulations.The solid line represents a linear fi tting curve with a Pearson’s correlation coefficient of 0.91[80].

最后,使用點擴散函數(shù)獲得了與系統(tǒng)的真實分辨率相關的實際圖像標準偏差σ與微球尺寸的函數(shù)關系和σ與w/λ之間的相關性,如圖22所示.并由實線擬合,得到了代表Pearson相關系數(shù)為0.88的線性擬合曲線.從邏輯上進一步說明了光子納米噴射的半高全寬越小,與真實圖像分辨率相關的圖像標準差越小,即分辨率越高.他們通過理論模擬和實驗驗證,從光子納米噴射的聚焦角度闡述了微球超分辨成像的機理.

圖22 (a)系統(tǒng)真實分辨率相關擬合獲得的實際圖像標準偏差與微球尺寸關系;(b)圖像標準差與光子納米噴射腰部和波長比率的關系;實線代表Pearson相關系數(shù)為0.88的線性擬合曲線[80]Fig.22.(a)Actual image standard deviation σ obtained from the fi t,related to the true resolution of the system,as a function of microsphere size,the dots are obtained from the fi ts with the analytical model,while the solid curve is a guide to the eye;(b)the correlation between σ and the normalized waist of the photonic nanojet w/λ;the solid line represents a linear fi tting curve with a Pearson’s correlation coefficient of 0.88[80].

5 總結與未來發(fā)展趨勢

微球超分辨成像雖然簡單方便,但同時也存在著一些固有的缺陷.通常,微球被放置在樣品表面而無法被控制,導致單個微球無法對大面積樣品進行成像.一種解決這個問題的直接簡單的方法就是增加樣品表面微球的數(shù)目.然而,在高密度的微球下,微球傾向于聚集并且軸向重疊,反而不利于光學性能的發(fā)揮.即使光線照射表面微球能夠產生周期性的納米圖案,納米結構的最小距離仍然受到微球直徑的限制[81].先前其他的嘗試包括使用光學鑷子來平移微球[82,83],或者使用放置在XY Z平臺上的玻璃微量移液管[33].然而,光學俘獲所需裝置的復雜性和玻璃的脆弱性以及潛在的微吸管破裂使得這些方法難以實施.因此,如何控制微球的位置[84]是未來微球超顯微技術發(fā)展的關鍵問題之一.

進行微球成像時,一般將微球直接浸入液體中.Darafsheh等[85]提出了一種蓋玻片形式的固體浸沒微球超透鏡的設計.他們將高折射率微球嵌入在透明彈性的固化膜中,嵌入在固化膜中的優(yōu)點是可以提前制備,且成像能在倒置顯微鏡中進行,同時消除了一般情況下微球浸入液體后液體蒸發(fā)導致對成像的影響[86].該固化膜制備如下：先將碳酸鋇微球置放在蓋玻片基底上,然后將折射率為1.41的液態(tài)聚二甲基硅氧烷和比例為1：10的硬化復合物旋涂在微球上,根據旋涂的速度和時間可以調整膜的厚度,最后在65°C下烘烤1 h即可獲得.他們用這種方法制備了厚度約300μm的薄膜,實現(xiàn)了人膠質母細胞瘤U87細胞成像.這種類蓋玻片的設計的厚度足夠小,能使樣品直接插入常規(guī)顯微鏡和樣品之間的間隙中.球形透鏡現(xiàn)在可以重復使用,并且整個透鏡可以根據用戶的需要容易地進行定位和操作,由于分離微球和環(huán)境的封裝,使得新的透鏡對于環(huán)境變化的敏感度降低,這種新穎的設計方法具有很大的商業(yè)價值.

圖23 片上微流體納米顯微鏡通過整合納米顯微鏡與微流體的新設計,為實時高分辨率直接成像和分析生物樣品,包括病毒提供一個獨特的平臺[87]Fig.23.Proposed new on-chip micro fl udic nanoscope formed by integrating nanoscope with micro fl udics, providing a unique platform for real-time high resolution direct imaging and analysis of bio-samples,including viruses[87].

微球超顯微技術簡單、易于實現(xiàn)、無標記且分辨率高.微球超透鏡尺寸下,能非常自然地與其他微系統(tǒng)集成,形成具有新功能的設備.例如, Wang[87]將微球連接在內窺鏡的最末端,獲得了λ/5的分辨率;Yan等[63]將二氧化硅微球,聚苯乙烯微球與激光掃描共聚焦顯微鏡結合,在波長為408 nm的照射光下獲得了25 nm的分辨率.

如圖23所示,微球超透鏡被封裝、對準和定位在微流體通道的頂部,諸如細胞/病毒等對象可以流過通道,其高分辨率圖像可以實時投影到外部.用電等距流可以驅動生物物質沿著通道移動,并使用介電電泳力來停止和俘獲特定位置處的細胞/病毒.并且,當它們與藥物作用時,科研人員可以通過這種方式研究細胞和病毒的實時反映.除了超透鏡成像之外,超透鏡產品還可在納米激光、納米光刻、納米太陽能聚光器以及納米化學等多個領域中找到應用.

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PACS:07.60.Pb,07.60.—j,42.79.Bh DOI:10.7498/aps.66.140702

Super-resolution microscopic e ff ect of microsphere based on the near- field optics?

Zhou Rui1)#?Wu Meng-Xue2)#Shen Fei1)Hong Ming-Hui2)?
1)(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
2)(Department of Electronics and Computer Engineering,National University of Singapore,Singapore 117576,Singapore)

29 March 2017;revised manuscript

16 May 2017)

In the field of optical imaging,the conventional imaging resolution is about 200 nm due to the di ff raction limit. The higher resolution is urgently needed for further developing scienti fi c research.Therefore,how to break through this limitation to acquire high quality and high resolution image has become a hot research topic.The microspheres with the size of tens of micrometers exhibit the ability to improve the imaging resolution of the conventional optical microscope by locating them directly on the sample surface.Due to its simplicity,the microsphere optical nanoscope technology is widely studied.This paper introduces the research background of the optical microscope and the research progress of microsphere optical nanoscope technology.At the same time,approaches to adjusting the photonic nanojet generated by the microspheres by fabricating concentric ringing,central mask,and surface coating of microspheres are reviewed. The possible reasons for this improved resolution are discussed.The applications and development of the microsphere ultra-microscopic technology in the future are discussed.

optical microscope,microsphere super-resolution,photonic nanojet

:07.60.Pb,07.60.—j,42.79.Bh

10.7498/aps.66.140702

?國家重點基礎研究發(fā)展計劃(批準號：2013CBA01703)、國家自然科學基金(批準號：61605162)、福建省自然科學基金(批準號：2017J05106)、中國科學院光電技術研究所微細加工光學技術國家重點實驗室開放課題(KFS4)和福建省高端裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心資助的課題.

#共同第一作者.

?通信作者.E-mail：rzhou2@xmu.edu.cn

?通信作者.E-mail：elehmh@nus.edu.sg

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CBA01703),the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61605162),the Natural Science Foundation of Fujian Province of China(Grant No. 2017J05106),the State Key Laboratory of Optical Technology for Microfabrication of Institute of Optics and Electronics the Chinese Academy of Sciences(KFS4),and the Collaborative Innovation Center of High-End Equipment Manufacturing in Fujian,China.

#These authors contribute equally.

?Corresponding author.E-mail：rzhou2@xmu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail：elehmh@nus.edu.sg