CN107478615B - 一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法,包括在盖玻片上用磁控溅射的方法镀上下层导热层，在下层导热层上用磁控溅射的方法镀上中间变化层，在变化层上用磁控溅射的方法镀上上层导热层，将上述镀完薄膜的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有薄膜的一面紧挨着测样品表面等步骤。本发明操作简单，只需要在原扫描系统中让聚焦光束透过一层薄膜结构，适用于多种形态的待测样品，并可以获得超过衍射极限的光学分辨率。

Description

一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法
技术领域
本发明涉及光学成像方法，基于热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法。
背景技术
随着社会不断发展，用光学方法来实现纳米级无损伤成像已经成为各个领域迫切的需求，特别是生物领域。然而，由于光学系统存在极限，也就是说，其分辨率大小存在一个极值，我们称此极小值为“光学衍射极限”。1873年，德国科学家阿贝(Abbe)根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，后来瑞利(Rayleigh)将阿贝衍射理论归纳为一个公式：
Figure BDA0001347569580000011
其中r表示最小分辨距离，λ表示激光波长，NA表示系统的数值孔径大小。根据公式(1)就能发现想要增加光学成像的分辨率存在两个途径，一是采用波长更短的激光光源来成像，二是采用数值孔径更高的系统来实现成像。然而，NA值的大小由系统所决定，其理论极限值为1.5，目前系统已经完善到接近这个极值，所以要想进一步增大分辨率，就要采用更短波长的光来进行成像，然而过于短的波长会对样品产生伤害，特别是生物样品，且运用短波长会使系统变得非常复杂。
激光扫描共聚焦显微镜是二十世纪80年代发展起来的一项具有划时代的高科技产品，其利用共焦原理，将显微镜的分辨率提高了30％左右，被广泛运用在了工业成像及生物成像领域。共聚焦显微技术是将激光聚焦到衍射极限大小，然后照射到样品表面，接收透射后的信号，接着将样品移动一小段距离，再接收透射后的信号，这样重复接收，等到聚焦光斑点扫完样品表面待测区域后，将信号收集形成图像。所以当扫描光斑越小，共聚焦显微技术就能获得更高的图像分辨率。
相变材料存在热致透过率变化效应，指的是在强光作用下，材料表面会吸收光强从而温度升高，随着温度的升高，材料的透射率发生变化，即透射率与入射光强不再为线性关系，而是为非线性关系。当一束截面光强不均匀的强激光透过材料时，其截面上不同光强的部分处，材料对这些部分的透射率不同，透射率的变化大小与材料所处部分的光强大小有关。
基于激光产生的原理，其出射的光束在横截面上光的强度呈高斯分布，也就是说越靠近中心的光强越强，越远离中心的光强越弱，当激光光束在光学系统中缩小到衍射极限时，其横截面的光强分布还是呈高斯分布。从而当一束高功率激光透过材料时，其中心区域由于光强比较强，透过率受调制较多，边上区域光强弱，其透过率受调制较少，基本可以认为是线性。当一束低功率激光透过材料时，光束透过率基本都为线性。所以将强光照射获得的信号中利用弱光照射的信号除去线性调制信号，剩下热致非线性调制的信号就是材料后方一远小于衍射极限大小区域的信号，然后利用调制区域作为扫描点，对样品进行扫描成像,实现超分辨成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法。扫描显微成像系统当中，让聚焦光束先后两次透过薄膜层结构，例如Si，Ge2Sb2Te5，ZnS-SiO2三层结构，前一次光功率密度小于2×109W/m2的弱光，后一次光功率密度大于2×109W/m2的强光，然后按照强弱光入射光强的比例，将弱光下获得的信号进行放大，接着在与强光下测得的信号进行相减，获得光斑中心经过调制的信号，此调制信号区域远小于衍射光斑大小，然后利用调制区域作为扫描点，对样品进行扫描成像,实现超分辨成像。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特点在于该方法包括以下步骤：
a)在盖玻片上用磁控溅射的方法镀上下层导热层；
b)在下层导热层上用磁控溅射的方法镀上中间变化层；
c)在变化层上用磁控溅射的方法镀上上层导热层；
d)将上述镀完薄膜的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有薄膜的一面紧挨着测样品表面；
e)利用一束光功率密度小于2×109W/m2的弱光和一束同波长光功率密度大于2×109W/m2的强光照射同一区域，收集透过率信号；
f)将弱光信号放大，放大比例为强光入射光功率密度与弱光入射光功率密度的比值，再将放大后的信号与强光信号相减，获得此处中心小于衍射极限调制区域的信号；
g)采用点扫描的扫描显微镜系统，将光束透过薄膜结构照射到样品上，以调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描；
f)收集扫描区域所有信号，最终成像。
所述的步骤a)中的下层导热层是Si、ZnS-SiO2、SiN或SiO。
所述的步骤a)中的下层导热层厚度在20nm到100nm之间。
所述的步骤b)中的中间变化层是Sb、Te、Sb2Te3、Sb70Te30、InSb、Ge2Sb2Te5、或AgInSbTe材料。
所述的步骤b)中的中间变化层厚度在20nm到100nm之间。
所述的步骤c)中的上层导热层是Si、ZnS-SiO2、SiN或SiO。
所述的步骤c)中的上层导热层厚度在20nm到100nm之间。
所述的步骤e)中中采用的光波长为405nm或者658nm。
本发明原理：
基于材料的热致透过率变化特性，提取扫描光斑中心小于衍射极限区域的信号，利用扫描显微镜，以此中心调制区域作为最小扫描点，实现超分辨成像。当激光透过材料时，材料会吸收光强转化为热量，引起材料透过率发生显著可逆变化。又由于成像聚焦光斑为高斯分布，从而可以使光斑中心区域发生显著透过率变化。当弱光入射时，整体区域为入射光强的线性调制，而当强光入射时，中心区域由于温度较高，发生非线性调制，将强光与线性放大后的弱光信号进行相减，就能获得中心小于衍射极限大小区域的光斑信号，相当于实现了一个小于衍射极限的透射光斑，利用此透射光斑就能在扫描显微镜系统中实现超分辨成像。
在扫描显微镜系统中，利用Sb、Te、Sb2Te3、Sb70Te30、InSb、Ge2Sb2Te5、或AgInSbTe材料的热致透过率变化特性，当光功率密度大于2×109W/m2的强激光透过时，其光斑中心小于衍射光斑的部分受到非线性调制，利用弱强透过信号来剔除强光透过信号边缘线性变化部分，从而形成一个小于衍射极限的信号调制区域，以调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描，最终实现超分辨光学成像。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)操作简单，只需要在原扫描系统中让聚焦光束透过一层薄膜结构。
2)成本低廉。
3)成像效果显著，可实现远小于衍射极限的分辨率成像。
4)用于多种形态的待测样品，并可以获得超过衍射极限的光学分辨率。
附图说明
图1是本发明盖玻片镀上薄膜后示意图
图2是本发明盖玻片镀上薄膜后成像示意图
图3是本发明透射反射信号变化示意图
图4是本发明光强按比例相减后调制区域的示意图
图5是本发明另一种光强按比例相减后调制区域的示意图
图中：1-盖玻片，2-上层导热层，3-中间变化层，4-下层导热层，5-平行激光光束，6-透镜，7-待测样品
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其步骤包括：
a)在盖玻片1上用磁控溅射的方法镀下层导热层4；
b)在下层导热层4上用磁控溅射的方法镀上中间变化层3；
c)在中间变化层3上用磁控溅射的方法镀上上层导热层2；
e)利用一束光功率密度为5×108W/m2的弱光和一束同波长光功率密度为5×109W/m2的强光照射同一区域，收集透过率信号；
f)将弱光信号放大，放大比例为强光入射光功率密度与弱光入射光功率密度的比值，再将放大后的信号与强光信号相减，获得此处中心小于衍射极限调制区域的信号；
g)采用点扫描的扫描显微镜系统，将光束透过薄膜结构照射到样品7上，以调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描；
f)收集扫描区域所有信号，最终成像。
盖玻片1镀薄膜层成像如图2所示，采用Si作为下层导热层4，晶态Ge2Sb2Te5作为中间透过率变化层3，ZnS-SiO2作为上层导热层2，其中下层导热层4厚度为30nm，中间变化层3的厚度为20nm，上层导热层2的厚度为30nm。
图3为薄膜层在双光束系统中的测试结果图，系统中一束光束为激发信号，另一束光束为探测信号，由图可见，当激发信号未开启，反射信号和透射信号也没有变化，当激发信号开启并作用到薄膜层时，其反射信号下降，透射信号上升，可见材料存在热致透过率变化特征，且光强越强，透过信号越强。
在成像中，当激光光束经过了未镀膜层的盖玻片1时，其聚焦的光斑为衍射极限大小，而当经过镀了膜层的盖玻片1时，情况则有所变化，因为材料的热致透过率变化率特性，也就是说当光强较弱时，其透过光斑的分布与未加薄膜层时透过光斑的分布类似，只是在强度上存在线性减弱，当归一化以后两者分布基本一致；而当光强较强时，由于热致透过率变化率特性，透过光斑中心区域的透过率受到了非常大的调制，而中心的周围光强相对较弱，则可认为是线性调制，如果将光斑归一化以后与弱光对比，则会发现中心部分差别很大，而边上区域差别很小。
此实施例中采用的晶态Ge2Sb2Te5材料，当光强较强时其透过率上升，利用此材料进行超分辨成像时，原理如图4所示，将弱光下获得的光斑信号按与强光的入射光强比例进行放大，与强光光斑分布放在了同一图中，可以发现两光斑边缘区域基本一致，而中心区域相差很多，强光下中心区域光强强于按比例放大的弱光光斑，这就是材料热致透过率特性引起的偏差，此时将强光光斑在数值上直接去减去弱光光斑，则获得的光斑信号如图中所示，有效半径明显小很多，两者虽有微小降低，但不影响结果。此光斑反应的是光斑中心调制区域的部分，在具体成像操作时，两光强按比例相减，获得的光强强度正是反应此调制光斑区域的信息，相当于探测光束的有效半径显著减小，实现超分辨光学成像。
将镀膜的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有薄膜的一面紧挨着样品，然后分别利用一束弱光和一束强光透过薄膜照射样品上同一区域，将弱光信号按与强光的入射光功率密度比例进行放大，再将两信号相减，获得小于衍射极限调制区域的信号。接着采用扫描显微镜系统，将光束透过薄膜结构照射到样品上，分别用强光和弱光照射，以获得的调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描，获得超分辨成像图。
实施例2：
一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其步骤包括：
a)在盖玻片1上用磁控溅射的方法镀下层导热层4；
b)在下层导热层4上用磁控溅射的方法镀上中间变化层3；
c)在中间变化层3上用磁控溅射的方法镀上上层导热层2；
e)利用一束光功率密度为5×108W/m2的弱光和一束同波长光功率密度为5×109W/m2的强光照射同一区域，收集透过率信号；
f)将弱光信号放大，放大比例为强光入射光功率密度与弱光入射光功率密度的比值，再将放大后的信号与强光信号相减，获得此处中心小于衍射极限调制区域的信号；
g)采用点扫描的扫描显微镜系统，将光束透过薄膜结构照射到样品7上，以调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描；
f)收集扫描区域所有信号，最终成像。
盖玻片1镀薄膜层成像如图2所示，采用Si作为下层导热层4，晶态InSb作为中间变化层3，ZnS-SiO2作为上层导热层2，其中下层导热层4厚度为30nm，中间变化层3的厚度为20nm，上层导热层2的厚度为30nm。
此实施例中采用的晶态InSb材料，当光强较强时其透过率显著下降。利用此材料进行超分辨成像时，原理如图5所示，将弱光下获得的光斑信号按与强光的入射光强比例进行放大，与强光光斑分布放在了同一图中，可以发现两光斑边缘区域基本一致，而中心区域相差很多，强光下中心区域光强弱于按比例放大的弱光光斑，这就是材料热致透过率特性引起的偏差，此时将弱光光斑在数值上直接去减去强光光斑，则获得的光斑信号如图中所示，有效半径明显小很多，两者虽有微小降低，但不影响结果。此光斑反应的是光斑中心调制区域的部分，在具体成像操作时，两光强按比例相减，获得的光强强度正是反应此调制光斑区域的信息，相当于探测光束的有效半径显著减小，实现超分辨光学成像。
将镀膜的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有薄膜的一面紧挨着样品，然后分别利用一束弱光和一束强光透过薄膜照射样品上同一区域，将弱光信号按与强光的入射光功率密度比例进行放大，再将两信号相减，获得小于衍射极限调制区域的信号。接着采用扫描显微镜系统，将光束透过薄膜结构照射到样品上，分别用强光和弱光照射，以获得的调制区域为最小分辨率点，逐点对样品进行扫描，获得超分辨成像图。
Figure BDA0001347569580000061

Claims (8)

1.一种基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a)在盖玻片上用磁控溅射的方法镀上下层导热层；
b)在下层导热层上用磁控溅射的方法镀上中间变化层；
c)在变化层上用磁控溅射的方法镀上上层导热层；
d)将上述镀完薄膜的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有薄膜的一面紧挨着测样品表面；
e)利用一束光功率密度为5×108W/m2的弱光和一束同波长光功率密度为5×109W/m2的强光照射同一区域，收集透过率信号；
f)将弱光信号放大，放大比例为强光入射光功率密度与弱光入射光功率密度的比值，再将放大后的信号与强光信号相减，获得此处中心小于衍射极限调制区域的信号；
g)采用点扫描的扫描显微镜系统，将光束透过盖玻片照射到待测样品表面上，以调制区域为最小分辨率点，逐点对待测样品表面进行扫描；
f)收集扫描区域所有信号，最终成像。
2.根据权利要求1所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的步骤a)中的下层导热层是Si、ZnS-SiO2、SiN或SiO。
3.根据权利要求1或2所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的步骤a)中的导热层厚度在20nm到100nm之间。
4.根据权利要求1所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的步骤b)中的中间变化层是Sb、Te、Sb2Te3、Sb70Te30、InSb、Ge2Sb2Te5、或AgInSbTe材料。
5.根据权利要求1或4所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的中间变化层厚度在20nm到100nm之间。
6.根据权利要求1所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的步骤c)中的上层导热层是Si,ZnS-SiO2,SiN或SiO。
7.根据权利要求1或6所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的上层导热层厚度在20nm到100nm之间。
8.根据权利要求1所述的基于材料热致透过率变化的超分辨非荧光成像方法，其特征在于，所述的步骤e)中采用的光波长为405nm或者658nm。
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