CN110596099A - 一种基于spr的透射式光纤纳米显微台 - Google Patents

一种基于spr的透射式光纤纳米显微台 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于SPR(surface plasma resonance)的透射式光纤纳米显微台。其特征是：它由在金属层2放置待测物体1的具有锥体圆台的特种光纤3及相机4构成。表面等离激元共振能够被有效的约束在金属层2的表面，且对环境变化非常灵敏，利用具有锥体圆台的特种光纤3使激光激发表面等离激元与样品相互作用，消除表面等离激元作用于样品后带来的拖尾。该发明使用特种光纤，可有效降低成本、优化结构，可用于微纳显微成像，获得高信噪比和高分辨率的图像。

Description

一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台
(一)技术领域
本发明涉及的是一种一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，属于显微成像领域。
(二)背景技术
光学显微镜是科学研究光学检测中最常用、最有效的工具。使用传统显微镜时，可以清晰分辨两个物体之间的最小距离取决于显微镜的极限。为了可以更好的观察微观世界，科研人员致力发展各种提高分辨率的方法。超分辨成像技术也不断取得了突破性进展，典型代表有共聚焦显微镜(Confocal Microscope)、受激发射损耗显微镜技术(StimulatedEmission Depletion Microscopy，STED)，光激活定位显微镜技术(Photo ActivationLocalization Microscopy，PALM)等。值得注意的是，这里所有的超分辨成像技术中，使用的光路均为远场泄漏辐射成像系统。
荧光探测是生物科学领域一项重要工具。临床诊断及DNA分析中经常使用表面束缚技术捕捉抗体、DNA寡聚物或靶材分子等等。普通荧光显微镜的分辨率在200nm，超高分辨荧光显微镜可实现小于10nm结构的成像，但是均需对样品进行荧光标定，这可能会使得样品的活性等性质发生改变而无法反应样品的真实性。因此对于光学显微镜而言，提高其分辨率，并实现无需荧光标记至关重要。倏逝波可以作为显微镜照明光源，例如，《In situsingle-molecule imaging with attoliter detection using objective totalinternal refection confocal microscopy》和《Eyen illumination in total internalrefection fluorescence microscopy using 1aser light》提出的全内反射(Totalinternal reflection，TIR)产生的倏逝波可用于光场表面成像。用TIR方法测量，入射光需大于临界角入射，激发倏逝场，倏逝场纵向渗透深度大约为100nm，是一种局域的电磁场。这种局域的电磁场可选择性观察样品表面的生物分子，这对于细胞和分子生物学等光学领域而言是至关重要的一项技术。TIR照明可用于选择性对样品表面成像，最大程度的降低体相背景信号，提高信噪比。
许多基于表面信号探测的方法，无法收集到弱束缚在表面的荧光信号。然而对于许多种类型的生物成像实验，样品体相辐射信号的探测也可提供有用的信号，因此既要求测量在紧束缚分子荧光信号，也要测量体相目标分子信号。在这些情况下，选择性激发表面或者体相目标分子是十分有用的。表面束缚荧光信号测量使得体相信号最大限度不被收集，从而可省去洗去无束缚荧光团步骤。然而TIR难以获得长倏逝深度的电磁场，因此难以探测到体相信号。荧光显微镜则是宽场照明或远离玻璃基底表面体相成像的一种典型手段。可分别使用全内反射荧光显微镜(total internal refection fluorescence，TIRFM)和荧光显微镜分别实现表面或体相样品成像，然而难以实现两种成像的同时迸行。同时实现两种成像技术之间的切换需要精确的机械对准，实际操作中难以进行。
表面波显微镜的出现解决了上困难，表面波显微镜是利用表面波，主要是金属与空气截面的表面等离激元共振，作为照明光源，利用其在表面传播的强局域性，且对界面处的扰动非常灵敏的特性，实现临近金属膜层表面样品的高灵敏度成像。中国专利CN103837499 A提出一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，主要利用高数值孔径显微物镜与宽带径向偏振光或者径向偏振白光搭建光谱测量装置。基于此装置可以获得高空间分辨率。中国专利CN 105628655 A提出一种分辨率高且无需荧光标记的基于表面等离子体共振的光学显微镜，在等离子共振传感芯片激发等离子表面共振，从而获得高空间分辨率。上述主要显微技术在实际应用中具有很大的局限性，其存在的问题为：
1、信噪比差。倏逝波显微成像时，由于激发场的倏逝波和样品散射的表面波会相互干涉，会在样品沿激发方向一侧形成强烈的拖尾，拖尾长度等于倏逝波沿表面的衰减长度，拖尾的信号与样品散射信号一同泄露下来被成像系统收集，使得成像信噪比被显著降低。
2、空间分辨率差。同样由于拖尾，倏逝波成像系统对具有边界的实际样品成像时，边界处会产生条纹状拖尾，使其分辨率显著下降。
3、时间分辨率差。近些年发展的倏逝波成像系统为提高分辨率，往往需要多次多角度采集图像，再利用算法消除成像的拖尾提高分辨率。带来的问题则是每获得一张显微图像需要大量的时间，时间分辨率差，无法进行实时观察。
中国专利CN 109239020 A提出一种基于旋转照明的表面波成像系统，通过振镜扫描系统消除了表面波作用于样品后带来的拖尾，提高了表面波显微成像的信噪比和分辨率，但是使用的器件种类多、体积大，导致笨重及不便。
本发明公开一种环形芯光纤SPR表面增强型纳米显微台。克服传统表面波成像显微镜信噪比低、时间和空间分辨率差且成本高的不足。该显微台结构简单，体积小，可与现有的各类光学显微镜组装，实现实时观测，实现表面样品的高信噪比和高分辨率成像。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、稳定性好、造价低、易于装配的表面增强型纳米显微装置，可实现表面样品实时观测，获得表面样品的高信噪比和高分辨率成像的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台。
本发明是这样实现的：
一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，其特征是：它由在金属层2放置待测物体1的具有锥体圆台的特种光纤3及相机4构成。所述组成中：将线偏振光打入特种光纤3，经过微加工的光纤端使得激光与金属层2呈特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过特种光纤3的锥体圆台结构后形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发金属层2中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由特种光纤3入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光穿过金属层2，成像于相机4获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
所述的特种光纤3可以是一种具有沿轴心对称环形波导的环形芯光纤；也可以是一类由多个纤芯沿中心阵列排布的环形阵列多芯光纤。如图3所示，(a)为环形芯光纤，阴影区域为环形波导；(b)所示的是环形阵列多芯光纤，阴影区域表示纤芯，这里以四芯、六芯以及九芯示例。
所述的金属层2，光在光纤锥体圆台与金属膜表面上发生全反射，形成倏逝波进入到光疏介质中，金属介质膜内存在一定的等离子波。两波相遇时发生共振。如图(4)所示，选择入射波长为635nm，SPR使用Kretschmann配置激发，参考SPR的反射波能量随入射角度的变化关系，其中S波无明显变化。但P波变化明显，在特定角度存在共振峰，当环境折射率从1.0增加到1.1时，SPR的谐振峰发生位移，显示出这种波的传感能力。
所述的系统中使用特种光纤3，由已配置的金属层2的参数及已知的环境折射率，获得的SPR反射波能量随共振角度变化的关系图，并获取最佳入射角度，经过图(2)所示的微加工方式，获得具有所需角度θ的锥形光纤端特种光纤3。
所述的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，是以角度为θ的特种光纤3为光源，如图(5)所示激光可以围绕中心360度激发等离子共振波，从而消除单一方向的等离子共振增强效果获得的具有拖尾的图像，最终获得高信噪比、高分辨率的图像。
所述的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，穿过的金属层后的散射光照明待测物1，并进入相机4中，最终获取高信噪比、高分辨率的图像。
所述的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台可以与现有的各类显微镜组合使用，从而方便科研人员获取最佳图像数据。如图(6)、(7)所示，整个一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台与显微镜的组装示意图，该图略去了显微镜底座及载物台，以便清晰展示一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台与整体之间的关系。
(四)附图说明
图1是一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台的结构示意图，虚线框内对应于锥体圆台的局部放大图。
图2是特种光纤的截面图，阴影部分为波导；(a)表示环形芯光纤的截面图，(b)表示一类环形阵列多芯光纤的截面图，这里以四芯、六芯和九芯为例。
图3是特种光纤3研磨加工图，由(a)图开始研磨，光纤和研磨盘同时旋转以保证加工后的光纤的对称性；(b)是研磨过程图；(c)是研磨完成后的效果图；(d)是定义的光纤研磨角度。
图4是等离子共振反射能量与入射波角度的关系图。
图5是360度激发表面等离子激元的示意图。
图6是一种基于SPR的透射式环形芯光纤纳米显微台的装配示意图，5是目镜，6是相机，图中略去显微镜的底座、载物台等结构。
图7是一种基于SPR的透射式环形阵列多芯光纤纳米显微台的装配示意图，5是目镜，6是相机，图中略去显微镜的底座、载物台等结构。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
图6是本发明所述的一种基于SPR的透射式环形芯光纤纳米显微镜的结构示意图。其中特种光纤3的端面结构图如图3(a)所示。
图6是本发明所述的一种基于SPR的透射式环形芯光纤纳米显微台的结构示意图。其中特种光纤3的端面结构图如图3所示。
采用环形芯光纤进行本实施例的描述。首先进行金属层2的制作，我们将特种光纤3表面镀上45nm的银膜。我们将待测物体放在水中或者特定液体，由此保证环境折射率固定。由已知等离子芯片的各项参数，棱镜折射率n0＝1.56,银膜介电常数e2＝-13.4+1.4i，环境液体折射率ne＝1.1求出光波的反射率与入射波角度直间的关系如图(4)，可知在此条件下，入射角度为43度时共振效果最佳。
以43度作为θ角，将环形芯光纤按照图2所示研磨方式，获得角度为θ的锥体端。
完成上述准备之后，可根据实际需要将该基于SPR的透射式环形芯光纤纳米显微镜的装配，如图(6)所示的简图。
所述基于SPR的透射式环形芯光纤纳米显微镜中，将激光打入环形芯光纤，经过微加工的光纤端使得激光与金属层2呈特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过环形芯光纤的锥体圆台后形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发金属层2中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由环形芯光纤入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光穿过金属层2，成像于相机4获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
实施例2：图7是本发明所述的一种基于SPR的透射式环形阵列多芯光纤纳米显微镜的结构示意图。其中特种光纤3的端面结构图如图3所示。
图7是本发明所述的一种基于SPR的透射式环形阵列多芯光纤纳米显微台的结构示意图。其中特种光纤3的端面结构图如图3(b)所示。
采用环形阵列多芯光纤进行本实施例的描述。首先进行金属层2的制作，我们将特种光纤3表面镀上45nm的银膜。我们将待测物体放在水中或者特定液体，由此保证环境折射率固定。由已知等离子芯片的各项参数，棱镜折射率n0＝1.56,银膜介电常数e2＝-13.4+1.4i，环境液体折射率ne＝1.1求出光波的反射率与入射波角度直间的关系如图(4)，可知在此条件下，入射角度为43度时共振效果最佳。
以43度作为θ角，将环形阵列多芯光纤按照图2所示研磨方式，获得角度为θ的锥体端。
完成上述准备之后，可根据实际需要将该基于SPR的透射式环形阵列多芯光纤纳米显微镜的装配，如图(7)所示。
所述基于SPR的透射式环形阵列多芯光纤纳米显微镜中，将激光打入环形阵列多芯光纤，经过微加工的光纤端使得激光与金属层2呈特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过环形阵列多芯光纤的锥体圆台后形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发金属层2中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由环形阵列多芯光纤入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光穿过金属层2，成像于相机4获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。

Claims (3)

1.一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，其特征是：它由在金属层2放置待测物体1的具有锥体圆台的特种光纤3及相机4构成。
所述组成中：将线偏振光打入特种光纤3，经过微加工的光纤端使得激光与金属层2呈特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过特种光纤3的锥体圆台结构后形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发金属层2中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由特种光纤3入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光穿过金属层2，成像于相机4获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，所使用的特种光纤3可以是一种具有沿轴心对称环形波导的环形芯光纤；也可以是一类由多个纤芯沿中心阵列排布的环形阵列多芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于SPR的透射式光纤纳米显微台，其特征在于，利用特种光纤3传输入射光，可以同时激发360度表面等离激元，从而消除单一方向激发表面等离激元造成成像的表面拖尾。
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