CN107907511B - 基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法，包括：1)在衬底上镀制多边形的发光薄膜，并在发光薄膜镀制镀制折射率高于1.4的表层薄膜；2)将微纳样品放置在表层薄膜上或在发光薄膜上制备微纳结构；3)通过外部激发发光薄膜不同边的波导，不同波矢方向的光场将被耦合进所述表层薄膜内并进行传输，传输光场的倏逝场与微纳样品或微纳结构相互作用，获取微纳样品或微纳结构的远场光学成像，并对像进行频谱拼接重构，得到对应的超分辨成像信息。本发明还公开一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像装置。本发明可以实现对来自发光薄膜波导光场的高效耦合，提供大波矢照明倏逝场，能够抑制背景噪声，改善成像质量。

Description

基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法和装置
技术领域
本发明涉及功能型发光薄膜和超分辨显微领域，尤其涉及基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法和装置。
背景技术
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，以便能够实现对更小尺寸样品的观察。但是，传统的光学显微系统受限于阿贝衍射极限理论，在可见光波段，无法实现优于200纳米左右的分辨率。目前国际上的远场超分辨信息获取方法主要可以分为荧光标记类和非标记的远场超分辨显微成像：
1、荧光标记类样品：主要是受激发射损耗荧光显微术(STED)，光激活定位显微术和随机光学重建显微术。前两项技术是2014年获得诺贝尔化学奖的两种超分辨荧光显微成像技术，他们的共同特点是都需要对被观测样品进行荧光标记。这就面临着以下问题：样品适用范围窄；标记荧光分子对生物样品具有光毒性等。
2、非标记的远场超分辨显微成像：主要包括结构光照明(SIM/SSIM)、微球接触技术、等离子激元表面波、超透镜技术等。结构光照明在非标记条件下分辨率理论极限为衍射极限的一半，可见区可可将横向分辨率提高至约100nm。微球接触技术面临视场范围小，分辨率受限于微球折射率等问题，不利于大尺寸样品的成像。等离子激元表面波技术分辨率受限于表面波长，仅仅是利用的倏逝场表面局域特性，获得比较高的深度分辨率，并没有实现最关键的横向分辨率的提升。超透镜成像也是近年来具有潜力的成像技术，原理性的研究很多，是利用了meta表面的负折射特性，所以对光的吸收大，存在理论上成像的可能性。但实验上要制作一种放大的多层结构球型meta器件，不仅难度大，而且还会带来经典像差。同时，还存在工作频谱范围窄的限制，离真正的成像功能相差甚远。
因此，需要一种普适性强，可以突破常规衍射极限的新技术，来实现对多种微纳样品的超分辨显微成像。
功能型发光薄膜相较于半导体纳米线或者微纳光纤光源，易于片上集成，使用中无需复杂实验操作。同时，已有的基于移频机理的方案，都使用半导体纳米线或者微纳光纤等作为光源，它们仅仅能够对微纳样品实现单向波矢照明成像，或者是多向的混频成像，获取的成像结果与物体的原有形貌具有很大差别。单向照明，虽然能够实现对物体特定方向频谱信息的提取，但是要实现对微纳样品频谱区域的大范围重构，不仅需要复杂的实验操作，而且不同波矢照明下的聚焦面容易发生偏差，不利于后期频谱拼接。比如采用移动微纳光纤的方式实现对微纳样品的多方向照明时，每次都需要重新对微纳样品聚焦，并且操作过程中微纳样品的状态有可能已经发生变化，尤其针对生物样品。此时，采用该方法便很难通过多角度照明，重构物体形貌。并且，复杂的实验操作使得对微纳样品的观察需要花费大量的时间成本，甚至破坏微纳样品形貌。对于采用纳米线环形多向照明，则面临着以下的问题：首先，当对微纳光纤采用一次照明成像，由于频谱混叠，无法从中分离获取各个方向有关的频移信息；其次，半导体纳米线环不适于多方向照明：形状不规则，线的粗细无法保证均匀，使得照明不均匀，也不利于分段照明。半导体纳米线非常容易受到环境湿度等条件影响，使用过程中极易被破坏。多数的半导体纳米线材料对生物样品具有毒性；并且，环形纳米线即使采用分段照明，每次照明所能提供的波矢方向也是一定角度范围内，所以无法实现真正的单向波矢照明，以及后续的频谱拼接工作；最后已有的实验表明无法通过镀膜的方式将半导体纳米线掩埋在光学薄膜内。这主要镀膜过程中基板需要温度一般较高，同时纳米线材料容易在镀膜过程中与有关材料发生作用，被分解掉。而通过在普通玻片衬底上镀制一层功能型发光薄膜，利用刻蚀技术，在薄膜内部刻蚀出一块特定形貌区域(如五边形，六边形等)。之后，在发光薄膜表面镀制一层高折射率薄膜，结合外界DMD或者数字控制遮光板，对多边形发光薄膜进行快速的分段激发。利用普通光学显微系统接收频移远场散射场，并成像于CCD像面，结合后期频谱处理技术，可以快速的实现频谱的拼接重构，获取微纳样品的真实原貌。
发明内容
本发明提出了一种基于发光薄膜的超分辨成像方法和装置，通过对发光薄膜材料的选择，可以实现不同激发光波长的选择；通过对刻蚀形貌的不同选择，结合DMD/电控挡光板调控外界激发光源，或者采用时序电致激发，提供多方向大波矢倏逝场的分段分时照明。在发光薄膜表面镀制一层高折射率薄膜或者进行有关的膜系设计，镀制多层薄膜。由于表面光学薄膜材料的存在，当来自发光薄膜不同方向的大波矢倏逝场分别于微纳样品发生相互作用时，通过移频效应，便可获取各个波矢照明下的超分辨成像信息。之后，通过有关算法处理，再现微纳样品的原始形貌。该超分辨芯片可以多次使用，并且不受限于使用条件，具有很大的推广应用潜力。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法，包括：
1)在衬底上镀制多边形的发光薄膜，并在发光薄膜镀制折射率高于1.4的表层薄膜；
2)将微纳样品放置在表层薄膜上或在发光薄膜上制备微纳结构；
3)通过外部激发发光薄膜不同边的波导，不同波矢方向的光场将被耦合进所述表层薄膜内并进行传输，传输光场的倏逝场与微纳样品或微纳结构相互作用，获取微纳样品或微纳结构的远场光学成像，并对像进行频谱拼接重构，得到对应的超分辨成像信息。
具体的，本发明要实现基于发光功能型薄膜的超分辨方法的实现，需要以下步骤：
1)根据对照明波长以及激发方式的选择，确定所需发光薄膜材料类型。发光薄膜可以是单一发光材料或者多色发光材料的混合；
2)通过旋涂或者蒸镀等方式将所选发光薄膜材料制备成膜，并根据实际需要确定发光薄膜厚度；
3)通过与光刻、FIB等刻蚀技术的结合，实现对发光薄膜特定形貌的刻蚀；
4)仿真并优化获取所需高折射率薄膜参数/完成有关膜系设计；
5)通过电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积等技术，在发光薄膜上镀制高折射率薄膜或者有关膜系；
6)选择所需激发方式(电致激发，光致激发等)，结合外部调控，实现对被刻蚀以及镀膜后发光薄膜的分段分时的激发；
7)结合普通光学显微成像系统，利用窄带滤光片获取照明波矢位于不同方向，不同大小照明条件下的光场成像信息。通过频谱分析依次获取有关频移信息，利用算法进行有光频谱拼接重构，获取微纳样品的真实形貌特征。
本发明中，所述的衬底为盖玻片或具有氧化硅层的硅片。
本发明中，功能型发光薄膜可选用的材料有多种，作为优选的，所述发光薄膜的材料为掺杂硫化锌、硫化锌镉、硫化锶、硫化钡、硫化钙、氧化锌、磷化镓、磷砷镓化合物、铝砷镓和氮化镓中的一种。所述发光薄膜的材料为有机-无机杂化钙钛矿量子点((CH3NH3PbX3,X＝Cl,Br,I))、全无机钙钛矿量子点(CsPbX3,X＝Cl,Br,I)、有机-无机杂化钙钛矿、稀土掺杂钒酸盐和稀土掺杂氟化钙中的一种。所述发光薄膜的材料为聚合物发光薄膜材料，具体的，所述的聚合物发光薄膜材料为聚对苯撑及其衍生物类、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚吡啶及其衍生物中的一种，以及聚对苯撑乙炔(PPV)及其衍生物，聚噻吩乙炔(PPV)及其衍生物，聚萘乙炔(PNV)及其衍生物。聚吡啶乙炔(PPYV)及其衍生物等，本发明中可以采用的镀膜方式有多种，包括旋涂，热蒸发，磁控溅射等方式。
本发明中，发光薄膜可以采用光刻，聚焦离子束(FIB)刻蚀等方式制备多边形结构，多边形的变数受被观测样品的复杂程度影响，边数越多意味着对微纳样品能够实现的照明波矢方向更多，越有利于获取微纳样品沿不同空间方向的频谱信息，通过频谱拼接，能够实现对微纳空间频谱的更大范围的获取。
传导薄膜可采用多层膜系设计，实现对发光薄膜激发光的有效耦合，以及对背景光的约束。要设计的膜系需满足：对激发光波长的有效透射，以及对发光薄膜出射光波长的有效约束。并且该膜系的表层薄膜应采用高折射率薄膜，并能实现发光薄膜光场在该层的有效传输。其中，表层薄膜的材料可选用Al2O3、TiO2、Ta2O5或ZrO2等。可以采用的镀膜方式有多种，包括热蒸发，溅射或者原子层沉积(ALD)等方式。作为优选的，一般采用热蒸发的方式进行镀膜。
本发明还提供一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像装置，包括：
芯片结构单元，包含一衬底，衬底上镀制有多边形的发光薄膜和折射率高于1.4的表层薄膜，微纳样品放置在表层薄膜上或发光薄膜上制备有微纳结构；
外界调控激发单元，按顺序激发发光薄膜不同边的波导，使不同波矢方向的光场将被耦合进所述表层薄膜内并进行传输，传输光场的倏逝场与微纳样品或微纳结构相互作用；
远场成像接收单元，用于对微纳样品或微纳结构的远场光学成像；
数据采集及处理单元，用于对像进行频谱拼接重构，得到对应的超分辨成像信息。
所述外界调控激发单元对发光薄膜的激发方式为光致激发、电致激发或应力激发。激发方式的选择，以确定所需发光薄膜材料类型。
与已有报道中，使用光学薄膜进行超分辨成像的方法相比较，利用发光功能型薄膜可以轻易的将照明光源掩埋在薄膜内部，具体优势体现在：
1)该高折射率薄膜或者膜系可以对发光薄膜起到保护作用，方便地观察不同种类的样品，如细胞，生物切片等生物样品以及金属颗粒，纳米线，纳米棒等材料学相关样品等；
2)照明光源材料不会对被观测样品产生影响，比如有些半导体纳米线具有毒性；
3)可以实现对来自发光薄膜波导光场的高效耦合，以提供大波矢照明倏逝场；
4)由于发光薄膜被掩埋在光学薄膜内，产生的背景噪声得到很大抑制，可以改善成像质量。
附图说明
图1为实施例1，通过DMD调控外界激发光源，实现对功能型发光薄膜的分段分时激发以及图像采集处理系统图；
图2为实施例2，采用在盖玻片上制备发光薄膜，利用八边形结构，实现对复杂微纳结构八个方向波矢照明示意图；
图3为实施例2中，通过仿真，利用24个方向照明波矢时观察复杂微纳结构，并通过频谱拼接重构获取的成像示意图；
图4为实施例3中，通过微纳光源照明双沟道微结构的示意图；
图5为在普通光学显微镜下，观察氧化钛衬底上周期为122nm双沟道的成像实验图；
图6为采用纳米线倏逝场照明(波矢沿着由上至下方向)，观察氧化钛衬底上周期为122nm双沟道的成像实验图；
图7为采用纳米线倏逝场照明(波矢沿着由下至上方向)，观察氧化钛衬底上周期为122nm双沟道的成像实验图；
图8为对图5及图6中，在氧化钛衬底上周期为122nm双沟道的成像实验图分辨做有关算法处理，拼接重构的双沟道形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
基于发光薄膜镀膜玻片的超分辨显微芯片，具有结构简单，易于集成以及大面积生产使用的特点。仅需将被观测样品放置在发光薄膜内多边形结构内部，通过外部调制，便可实现多角度大波矢分段照明。这样一种超分辨显微成像结构的实施将以下面几个例子展开：
实施例1：
如图1所示，一种基于功能型发光薄膜超分辨芯片成像系统包括以下部分：外界调控激发单元；芯片结构单元；远场成像接收单元；数据采集及处理单元。
外界调控激发单元包括沿光路依次布置的激光器11、反射镜12、准直镜13、反射镜14、DMD调控单元15、管镜16、反射镜17和透镜18、反射镜19、物镜20；芯片结构单元为21；远场成像接收单元包括显微物镜20、带通滤光22、场镜23、透镜25和探测器26；数据采集及处理单元为27。
外界调控激发部分按照所需要的激发方式有所不同，图1所示的是一种外界调控光激发方式，通过DMD调控激发光形状，实现对基于功能型发光薄膜芯片的分段分时激发，图1中DMD调控单元也可采用数字调控挡光板实现对激发光斑的区域选择。芯片结构单元如图1所示为一多边形结构，多边形的边数可以为图中六边形，但是不限于图中所示边数，多边形的大小也要跟随实验设计而定。远场成像接收单元需要与不同波段的滤光片结合，用于多种发光材料下多波长照明时，对不同大小照明波矢条件下的成像结果进行选择。数据采集及处理单元主要涉及有关频谱的拼接技术，以及有关程序的设计及编写。
实施例2：
如图2所示，在光薄膜波导内一个多边形单元内，放置一随机分布的复杂微纳结构，并进行观察。与图1相似，包括盖玻片31，发光薄膜32，以及发光薄膜上制备的高折射率薄膜或者有关膜系33，亚波长周期复杂微纳结构34，分段激发源35。对于该实例，由于被观测微结构的空间周期分布比较复杂，为了实现对该微结构沿着不同空间分布的细节信息的清晰成像，需要采用更多方向的波矢照明。在仿真中，我们采用24个照明波矢分别于该微结构相互作用，之后通过频谱拼接重构获取如图3所示结果。
实施例3：
如图4所示是一种通过微纳光源照明双沟道微结构的示意图。包括盖玻片41，发光薄膜42，以及发光薄膜上制备的高折射率薄膜或者有关膜系43，亚波长周期双沟道微纳结构44，分段激发源45。实验中，我们首先获取普通显微照明条件下的成像图，之后分别激发微结构的上方区域以及下方区域，通过CCD获取相关实验结果，分别如图5，图6及图7所示。之后通过对实验结果进行处理，获取不同照明条件下的频谱信息。通过频谱拼接重构，得到的结果如图8所示。
以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。

Claims (10)

1.一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像方法，其特征在于，包括：
1)在衬底上镀制多边形的发光薄膜，并在发光薄膜镀制折射率高于1.4的表层薄膜；
2)将微纳样品放置在表层薄膜上或在发光薄膜上制备微纳结构；
3)通过外部激发发光薄膜不同边的波导，不同波矢方向的光场将被耦合进所述表层薄膜内并进行传输，传输光场的倏逝场与微纳样品或微纳结构相互作用，获取微纳样品或微纳结构的远场光学成像，并对像进行频谱拼接重构，得到对应的超分辨成像信息。
2.如权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述的衬底为盖玻片或具有氧化硅层的硅片。
3.如权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述发光薄膜的材料为掺杂硫化锌、硫化锌镉、硫化锶、硫化钡、硫化钙、氧化锌、磷化镓、磷砷镓化合物、铝砷镓和氮化镓中的一种。
4.如权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述发光薄膜的材料为有机-无机杂化钙钛矿量子点、全无机钙钛矿量子点、有机-无机杂化钙钛矿、稀土掺杂钒酸盐和稀土掺杂氟化钙中的一种。
5.如权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述发光薄膜的材料为聚合物发光薄膜材料。
6.如权利要求5所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述的聚合物发光薄膜材料为聚对苯撑及其衍生物类、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚呋喃及其衍生物和聚吡啶及其衍生物中的一种。
7.如权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于，所述的表层薄膜的材料为Al2O3、TiO2、Ta2O5或ZrO2。
8.一种基于发光功能型薄膜的超分辨成像装置，其特征在于，包括：
芯片结构单元，包含一衬底，衬底上镀制有多边形的发光薄膜和折射率高于1.4的表层薄膜，微纳样品放置在表层薄膜上或发光薄膜上制备有微纳结构；
外界调控激发单元，按顺序激发发光薄膜不同边的波导，使不同波矢方向的光场将被耦合进所述表层薄膜内并进行传输，传输光场的倏逝场与微纳样品或微纳结构相互作用；
远场成像接收单元，用于对微纳样品或微纳结构的远场光学成像；
数据采集及处理单元，用于对像进行频谱拼接重构，得到对应的超分辨成像信息。
9.如权利要求8所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述外界调控激发单元对发光薄膜的激发方式为光致激发、电致激发或应力激发。
10.如权利要求8所述的超分辨成像装置，其特征在于，表层薄膜的材料为Al2O3、TiO2、Ta2O5或ZrO2。
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