CN102879916A - 一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，对于确定的工作波长，选择透明的载玻片，载玻片上加工典型的金属-介质-金属结构，即双层金属膜包裹生物样本层、要求金属膜和生物样本材料的介电常数匹配，利用双层金属薄膜包裹生物样本层，对于线偏振的光照射，该表面等离子体超分辨成像器件能够将生物样本层中位相型物体与生物样本层的微小折射率差异转化为近场光强强度分布，通过近场探针或者光记录方式记录近场的光强强度分布从而实现位相型纳米物体的超衍射分辨。本发明用于生物样本中位相型纳米物体的超衍射分辨，采用双层金属薄膜包裹生物样本层的设计，拓展传统相衬相位技术分辨力衍射受限的局限。
Description
技术领域
本发明涉及位相型纳米物体表面等离子超衍射分辨成像的技术领域，特别涉及一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，用于位相型纳米物体的成像对比度增强，以及用于生物医学和纳米科学成像。
背景技术
随着人们对于纳米科学和生命科学的认识逐渐深入，也对实现纳米尺度的光学观测提出了更高的要求。传统相衬技术通过空间滤波技术实现生物样品中透明物体的显微观测，然而传统相衬显微技术由于衍射受限，它不在适用于衍射极限以下的位相型物体的显微分辨。虽然荧光显微和受激辐射荧光技术能够大幅度提高光学显微的分辨力，但是分子生物样品必须进行荧光标记。实现生物样本无污染的高分辨力成像显微技术成为当今的重要难题。等离子体透镜（Superlens和Hyperlens）由于具有放大倏逝信号的能力从而能够实现超衍射极限光学分辨。然而，等离子体透镜的纳米物体通常是振幅型物体，掩膜上的开缝区域代表物体大小。对于生物医学显微成像，生物样本层中的待测物体的空间轮廓未知并且与周围环境层存在微小折射率差异。然而，等离子体透镜对于位相型纳米物体的成像对比度不高，这主要是由于照明光源没有被有效的抑制而传播到像面干扰成像，此外，代表物体的精细结构的倏逝波也没有被足够增强。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服等离子体透镜对位相型物体成像对比度低的缺点，提出一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，利用双层纳米金属薄膜包裹生物样本层的等离子体超衍射成像器件，该等离子体超衍射成像器件能够有效抑制背景透射照明光对位相型纳米物体近场成像的影响，提高位相型透明物体的近场成像对比度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，照明光从透明载玻片底部垂直入射，位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件能够增强生物样本层的位相型纳米物体的散射倏逝场，并且能够有效抑制背景透射照明光对位相型纳米物体近场成像的影响，其特征在于步骤如下：
步骤（1）、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择可透光的载玻片材料；
步骤（2）、照明光的偏振模式要求选择线偏振、圆偏振或自然偏振；
步骤（3）、金属薄膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铝或铜，其介电常数为εm；
步骤（4）、根据照明光波长选择介电常数匹配的金属膜和生物样本层材料，生物样本层材料介电常数为εi；
步骤（5）、利用纳米加工技术首先在载玻片上蒸镀厚度dm的金属膜；
步骤（6）、固体膜层或者液体膜层的生物样本层涂敷或者滴定在蒸镀厚度dm的金属膜上，生物样本层的厚度为di；
步骤（7）、利用纳米加工技术紧接着在生物样本层上蒸镀厚度dm的金属膜覆盖层；
步骤（8）、位相型纳米物体的成像记录方式选择近场扫描探针或者光记录材料。
所述步骤（1）中的可透光的载玻片为硅或二氧化硅。
所述步骤（1）中的照明光的工作波长365纳米。
所述步骤（3）中的金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属银，介电常数εm=-2.4012+0.2488i。
所述步骤（4）中的位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件要求双层金属膜的介电常数εm和生物样本层的介电常数εi对于工作波长λ时满足介电常数匹配（εi~-εm）。
所述步骤（5）中的金属膜的厚度dm要求10纳米到60纳米。
所述步骤（6）中的生物样本层的厚度di要求10纳米到100纳米。
所述步骤（8）中的位相型纳米物体的成像记录方式要求近场扫描探针或者光记录材料。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
（1）、本发明结合表面等离子体增强倏逝波和扫描近场光学探针搜集近场光学信号的能力，设计出一种用于位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件，该表面等离子体超分辨成像器件可以实现位相型纳米物体的近场超分辨；
（2）、本发明相对于等离子体透镜用于位相型物体的近场成像，该表面等离子体超分辨成像器件能够大幅度提高位相型物体的近场成像对比度；
（3）、本发明通过优化设计透镜的结构参数，它能够用于任意大小物体的成像对比度增强；该表面等离子体超分辨成像器件结构设计简单，避免对生物样本层进行荧光标记从而污染生物样本层，该发明在纳米科学，生物医学等领域具有广泛应用。
附图说明
图1是本发明实施例所设计的一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨近场记录装置的剖面图；
图2是本发明实施例所设计的一种位相型表面等离子体超分辨光记录方式的示意图；
图3是本发明实施例所设计的一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨对于位相型纳米线的近场光强分布；
图4为本发明实施例设计所的图（3）中虚线所示光强分布；
其中：
图1中1为选择工作波长下透明的载玻片，2和4均为蒸镀纳米厚度的金属薄膜，3为待测定的生物样本层，5为位相型纳米物体，7为扫描探针的光纤材料，通常为二氧化硅，也可以是空心探针，6为蒸镀在扫描探针的侧壁蒸镀金属薄膜，金属材料选择金或者铝。
图2中1为选择工作波长下透明的载玻片，2和4均为蒸镀纳米厚度的金属薄膜，3为待测定的生物样本层，5为位相型纳米物体，8所示为光记录材料(A3120)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，照明光从透明载玻片底部垂直入射，位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件能够增强生物样本层的位相型纳米物体的散射倏逝场，并且能够有效抑制背景透射照明光对位相型纳米物体近场成像的影响，位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件的结构为载玻片上加工典型的金属-介质-金属结构，即厚度dm的双层金属膜包裹厚度di的生物样本层；此外，要求金属膜的介电常数εm和生物样本层的介电常数εi在工作波长λ时满足介电常数匹配（εi~-εm）。利用金属膜的超透镜效应和双层金属和生物样本层的耦合效应，位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件能够将生物样本层中微小折射率差异转化为近场光强强度分布。因此，可以通过近场探针扫描装置或者光记录材料记录近场光强强度分布。此外扫描探针可以选择曲率半径30纳米到200纳米的光纤探针，扫描探针侧壁需要蒸镀金属薄膜，金属薄膜材料选择铝、金；扫描探针侧壁蒸镀金属薄膜是为了屏蔽电磁波。光记录材料可以选择工作波长对应的光刻胶。位相型纳米物体的近场光强强度不同于生物样本层的近场光强强度，因此，可以利用光记录材料记录位相型纳米物体。
本发明实施例的具体步骤如下：
步骤（1）、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择可透光的载玻片材料；
例如，照明光的工作波长365纳米，线偏振的光从载玻片底部垂直入射。所述步骤（1）中的透光的载玻片材料的可以为硅，二氧化硅。
步骤（2）、照明光的偏振模式要求选择线偏振、圆偏振或自然偏振；
步骤（3）、金属薄膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铝或铜，其介电常数为εm；例如，金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属银，介电常数εm=-2.4012+0.2488i。
步骤（4）、根据照明光波长选择介电常数匹配的金属膜和生物样本层材料，生物样本层材料介电常数为εi；例如，介质材料与金属银的介电常数匹配的材料选择为PMM，介电常数εi=2.3。所述步骤（4）中的金属膜和生物样本层在照明光波长下介电常数匹配，即（εi~-εm）。
步骤（5）、利用纳米加工技术首先在载玻片上蒸镀厚度dm的金属膜；例如，载玻片上蒸镀金属膜厚度dm为10纳米到60纳米。优选的，载玻片上蒸镀金属膜厚度dm为40纳米。
步骤（6）、固体膜层或者液体膜层的生物样本层涂敷或者滴定在蒸镀厚度dm的金属膜上，生物样本层的厚度为di；例如，涂敷或者滴定在金属膜上的生物样本层厚度di为10纳米到100纳米。优选的，涂敷在金属膜上的生物样本层厚度di为70纳米。
步骤（7）、利用纳米加工技术紧接着在生物样本层上蒸镀厚度dm的金属膜覆盖层；例如，生物样本层上蒸镀的金属膜覆盖层厚度dm为10纳米到60纳米。优选的，生物样本层上蒸镀的金属膜覆盖层厚度dm为40纳米。
步骤（8）、位相型纳米物体的成像记录方式选择近场扫描探针或者光记录材料。例如，近场扫描探针记录方式中的探针选择为曲率半径30纳米到200纳米的光纤探针，扫描探针侧壁需要蒸镀金属薄膜，金属材料选择铝、金。优选的，近场扫描探针记录方式中的探针选择为曲率半径50纳米的光纤探针，扫描探针侧壁需要蒸镀金属铝、侧壁金属铝膜厚度大于20纳米。所述步骤（8）中的光刻胶记录方式的光刻胶选择为工作波长对应的光刻胶。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (8)
1.一种位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像方法，照明光从透明载玻片底部垂直入射，位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件能够增强生物样本层的位相型纳米物体的散射倏逝场，并且能够有效抑制背景透射照明光对位相型纳米物体近场成像的影响，其特征在于步骤如下：
步骤（1）、选择照明光的工作波长λ，根据其波长选择可透光的载玻片材料；
步骤（2）、照明光的偏振模式要求选择线偏振、圆偏振或自然偏振；
步骤（3）、金属薄膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铝或铜，其介电常数为εm；
步骤（4）、根据照明光波长选择介电常数匹配的金属膜和生物样本层材料，生物样本层材料介电常数为εi；
步骤（5）、利用纳米加工技术首先在载玻片上蒸镀厚度dm的金属膜；
步骤（6）、固体膜层或者液体膜层的生物样本层涂敷或者滴定在蒸镀厚度dm的金属膜上，生物样本层的厚度为di；
步骤（7）、利用纳米加工技术紧接着在生物样本层上蒸镀厚度dm的金属膜覆盖层；
步骤（8）、位相型纳米物体的成像记录方式选择近场扫描探针或者光记录材料。
2.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（1）中的可透光的载玻片为硅或二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（1）中的照明光的工作波长365纳米。
4.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（3）中的金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属银，介电常数εm=-2.4012+0.2488i。
5.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（4）中的位相型纳米物体表面等离子体超分辨成像器件要求双层金属膜的介电常数εm和生物样本层的介电常数εi对于工作波长λ时满足介电常数匹配（εi~-εm）。
6.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（5）中的生物样本层的厚度di要求10纳米到100纳米。
7.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（6）中的金属膜的厚度dm要求10纳米到60纳米。
8.根据权利要求1所述的一种位相型物体表面等离子体超分辨成像方法，其特征在于：所述步骤（8）中的位相型纳米物体的成像记录方式要求近场扫描探针或者光记录材料。
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