CN117434627A - 用于保持微球体的膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光学纳米成像方案，通过使用透明颗粒作为光学透镜以实现超分辨率纳米成像。具体地，本发明涉及用于保持微球体的膜。本发明涉及该膜以及其在超分辨率纳米成像中的应用。在本发明的一方面中，提供了一种具有第一表面和第二表面的膜，所述第一表面和第二表面彼此相对，所述膜包括：(a)穿透所述膜的开口，所述开口被定尺寸成保持微球体，其中，开口是锥形的，第一表面上的开口的尺寸大于第二表面上的开口的尺寸。

Description

用于保持微球体的膜

本申请为于2018年3月26日提交、申请号为201680056019.5、发明名称为“用于保持微球体的膜”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2016年8月26日，国际申请号为PCT/SG2016/050415。

技术领域

本发明涉及通过使用透明颗粒作为光学透镜以实现超分辨率纳米成像的新型光学纳米成像方案。具体地，本发明涉及用于保持微球体的膜。本发明涉及该膜及其在超分辨率纳米成像中的应用。

背景技术

通常被称为“光显微镜”的光学显微镜是使用可见光和透镜系统来放大较小样品的图像的一种显微镜。光学显微镜是最古老的显微镜设计，并且可能是在17世纪以现行的复合形式发明的。基本的光学显微镜可以很简单，尽管存在旨在提高分辨率和样品对比度的许多复杂的设计。

不使用可见光的光学显微镜的替代物包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜。在透射光具有很高的放大倍率下，点对象被视为由衍射环包围的模糊斑。这些模糊斑被称为艾里斑。显微镜的分辨能力被认为能够区分两个紧密间隔开的艾里斑(或换言之，显微镜将相邻结构细节显示为不同且分离的能力)。正是这些衍射的影响限制了分辨细节的能力。衍射图案的范围和大小受光的波长(λ)、用于制造物镜的折射材料和物镜的数值孔径(NA)的影响。因此，存在已知为衍射极限的有限的极限，超出该极限则不能分辨物镜视场中的分离的点。

几个世纪以来，光学透镜制造者和研究人员努力工作，以追求越来越小的光学显微镜的分辨率。据信传统的光学器件通过阿贝衍射极限将分辨率物理地约束为大约入射波长的一半。然而，多年来随着现代技术的发展，可以实现对分辨率极限的突破。最有前景的方法之一是，通过透明的微球体来观察亚波长特征。

该突破还引起了对微球体成像研究的广泛兴趣。这些研究已证实了微球体的分辨率性能。通常，微球体的功能是将样品的虚像放大到可以被常规光学显微镜分辨的尺寸。微球体可以将入射光聚焦到尖锐的点。通过在样品表面上方引入微球体，样品上的亚波长特征可以被聚焦的光照射，并且放大的虚像可以形成并被眼睛或CCD捕捉。在这种技术的目前发展中，大多数实验是通过将微球体直接放置在样品的顶部来进行的，这具有许多缺点，例如，对脆弱样品的污染或破坏、无法扫描表面、难以将样品和微球体分离开并且难以实现最佳图像平面。为了进一步促进该领域在实际应用中的发展，从样品表面分离微球体是至关重要的。

目前的粒子透镜纳米成像在其实际应用中受到一些根本的限制，例如，粒子透镜与对象的直接接触、成像速度慢以及由于色差引起的图像失真。

因此，需要一种改进的超分辨率光学成像系统。

在本说明书中明显优先公布的文件的列表或讨论不一定被视为承认该文件是现有技术状态的一部分或是公共常识。

本文中提及的任何文件通过引用全部内容并入本文中。

发明内容

本发明利用微球体作为用于超分辨率成像的光学元件，提供了恢复远场中的纳米级信息的可能性。在根据本发明的合适设备中，入射光可以通过全内反射在内部周围反射光子而被捕获在微小的透明球体内。在共振中，增强的能量仅通过小窗口发射出去。该倾向允许许多有趣的应用。例如，透明微球体可以形成高效的激光腔。

因此，这引出了已被构想的一种新型的透镜组件芯片，其可以与传统的光学显微镜集成以解决上述问题。具体地，透镜组件芯片包括由薄膜保持的微球体，这避免污染和破坏样品。另一个关键优点在于，通过引入物镜与微球体之间的距离，可以通过调节膜的垂直位置来灵活地找到最佳的图像平面，从而确保实验装置的最佳性能。另外，当微球体和样品分离时，可以通过使用安装在传统显微镜上的载物台移动样品或移动位于膜上的微球体来实现对整个表面的扫描。此外，低制造价格和简单的设置使设计成为可以与商业化显微镜耦接的优秀候选。

在本发明的第一方面中，提供了一种具有第一表面和第二表面的膜，第一表面和第二表面彼此相对，膜包括：(a)穿透膜的开口，该开口被尺寸成保持微球体，其中，开口是锥形，第一表面上的开口的尺寸大于第二表面上的开口的尺寸。

所谓“膜”是指适于将微球体容纳并保持在其内的任何薄片材料。该膜可以具有任何合适的厚度并且可以是任何合适的材料。因此，第一表面和第二表面彼此相对，并且这两个表面分别在膜两侧上。穿透膜的开口可以包括允许将微球体接收和保持在膜内的任何洞、穿孔、孔等。

开口的内部轮廓可以是倒角锥形(inverted pyramid)。可替代地，开口的内部轮廓是截头圆锥形的。

在实施方式中，膜中的开口是锥形的，即，穿透膜的孔的尺寸从一端朝向另一相对端缩小或减小。这样的配置允许微球体在一端被插入开口中，但不允许通过开口。因此，被保留在开口内。优选地，开口被定尺寸成保持直径在4μm到50μm之间的微球体，第一表面的开口的尺寸大于微球体的直径，并且第二表面上的开口的尺寸小于微球体的直径。在替代实施方式中，微球体的直径可以在5μm至30μm之间。膜中的开口可以用任何合适的方法来制造，例如，通过蚀刻方法(化学方式或机械方式)或刺穿膜等。

所谓“微球体”是指包括直径在微米范围内的任何小球形颗粒。在本发明的实施方式中，微球体的直径可以大约在4μm至10μm之间。该术语还可以用于包括可以在微流体装置的基底上使用的任何微球体透镜阵列，并且可以用作基于在微流体通道中传输纳米对象的光子纳米喷射现象的光学检测方法的一部分，其中，该微流体通道的深度与光子纳米喷射的纵向尺寸相当。微球体可以是电介质微球体。在本申请中，微球体可以互换地被称为粒子透镜。

优选地，当与用于对样品进行成像或放大的显微镜一起使用时，在微球体被放置在物镜与样品的表面之间的情况下，在开口的中心轴与开口的一侧之间形成的角度大于显微镜的物镜的数值孔径。物镜的数值孔径因每次放大而不同。就此点而言，建议角度大于应用的成像系统中的物镜的最高数值孔径。通常，当在周围空气环境中成像时，物镜的数值孔径通常为0.3至0.9，与17度至64度之间的角度对应。因此，在实施方式中，角度大于64度以优化成像质量。

在本发明的实施方式中，膜的表面涂覆有任何合适的反射材料。优选地，该材料是金属。更优选地，金属可以选自包括以下的组：金、银、铬、铝、铜或其组合。

优选地，膜的厚度等于或小于微球体的直径。

优选地，膜由选自包括以下的组的材料制成：硅、二氧化硅、蓝宝石、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)或其组合。

在本发明的第二方面中，提供了包含根据本发明的第一方面的膜的装置，其中，膜耦接至支承结构，支承结构被配置成将微球体定位在显微镜的物镜与样品的表面之间，以用于对样品成像。

优选地，支承结构被配置成将微球体定位在样品表面上方预定距离处。在实施方式中，预定距离是小于1μm的任何距离。

在实施方式中，支承结构是包括悬臂的纳米台，保持微球体的膜耦接至悬臂的远端。

可替代地，支承结构是包括至少一个臂的框架，所述至少一个臂从框架的一侧延伸到框架的内部空间中，保持微球体的膜耦接至所述至少一个臂。

所谓“框架”是指具有围绕内部空间的边界或边缘的任何结构。优选地，框架包括从框架的相对侧延伸到框架的内部空间中的至少一个臂，保持微球体的膜被布置在相对的臂之间。臂可以通过螺纹部附接至框架，并且这些螺纹部的拧紧作用对膜在样品的表面上方的位置进行调节。

在任何情况下，支承结构被配置成将微球体定位在沿x、y或z轴方向的任何位置处。该移动可以手动地进行，例如，通过螺纹部的手部动作，或通过控制单元。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于对样品成像的系统，该系统包括：(a)光学部件；以及(b)根据权利要求9至13中任一项所述的装置。

所谓的“光学部件”是指用于对样品进行成像和/或放大的任何部件，这样的部件包括显微镜的物镜。

在本发明的第四方面中，提供了一种用于对样品成像的方法，该方法包括：(a)将微球体保持在根据本发明的第一方面的膜中；(b)将微球体定位在样品的表面上方；(c)照射样品的表面，由此从表面反射的光被反射通过微球体，并且聚焦通过光学部件；以及(d)检测光以形成表面的图像。

优选地，微球体被定位在样品的表面上方小于1μm的预定距离处。

有利地，为了克服常规显微镜在空气中的成像分辨率限制(由于衍射极限，约为照明光波长的一半)，本发明提供了一种新型的超分辨率成像方案，通过将透明颗粒定位成靠近样品的表面但不与样品的表面接触作为独特的光学透镜。优化的粒子透镜被设计用于周围空气中的光学纳米成像，并且已经通过实验显示出50nm的分辨率。

此外，在大多数显微镜观察实验中，操纵微球体位置的能力是重要的。目前的方法复杂而庞大。就此点而言，本发明实现了具有预集成微球体的节省空间的显微镜附件，可以组装到大多数常规光学显微镜，并且以低成本和高效率实现超分辨率。

因此，在本发明中，通过以下方法来解决现有技术所面临的问题：

1)通过设计粒子透镜架及其纳米操纵系统以避免与对象的物理接触来构建用户友好型纳米镜；以及

2)粒子透镜纳米镜与激光源耦接，以滤除由于照明光的宽带波长而引起的失真图像信息。在这样的照明光中，每个波长将生成由CCD相机捕捉的图像。这些图像彼此交叠，并且形成在CCD上观察到的可能失真的合成图像。然而，当使用了激光源时，提供了窄的波长范围，并且因此图像质量更高。

为了使本发明能被充分理解并容易付诸实践，现在将通过非限制性示例来描述本发明的优选实施方式，该描述参照所附的说明性附图。

附图说明

在附图中：

图1：(a)示出了粒子透镜纳米镜背后的物理特性，(b)示出了被捕捉的50nm分辨率图像，以及(c)示出了具有不同折射率的粒子透镜的光能量增强。

图2：(a)示出了透镜架中单个孔的SEM图像，(b)示出了内部具有微球体的孔。

图3(a)示出了根据本发明的实施方式的保持微球体的膜的横截面图，图3(b)示出了使用根据本发明的实施方式的装置的微球体辅助纳米镜的设置。

图4：(a)示出了由LIL技术制造的由直径为200nm并且周期为700nm的纳米点阵列组成样品，(b)示出了根据本发明的实施方式的在10μm直径的微球体下分辨的图像。

图5(a)和图5(b)示出了根据本发明的实施方式的与装置集成在一起的常规光学显微镜的设置的概要。

图6是透镜组件芯片的SEM图像：(a)内部具有微球体的孔和(b)没有微球体的孔。

图7示出了样品表面上方的微球的扫描路径。

图8是由微球体获得的样品的SEM图像和光学图像。

图9示出了样品表面上方的微球体纳米镜的扫描过程，以指示非接触成像模式。

具体实施方式

根据本发明，微球体粒子透镜能够将对象放大成放大的虚像，然后被常规显微镜捕捉，从而提供了实时地以及在周围空气中对生物分子和材料裂缝进行成像的新机会。

纳米成像中衍射极限的问题源于远场中的隐失波的损失，隐失波携带对象的高空间频率亚波长信息并且随距离呈指数衰减。利用微球体作为用于超分辨率成像的光学元件，本发明提供了恢复远场中的纳米级信息的可能性。在根据本发明的合适设备中，入射光可以通过全内反射在内部周围反射光子而被捕获在微小的透明球体内。在共振中，增强的能量仅通过小窗口发射出去。该倾向允许许多有趣的应用。例如，透明微球体可以形成高效的激光腔。

在本发明中，通过将微球体(粒子透镜)与常规显微镜耦接而实现了在50nm分辨率下的技术突破。通过使用粒子透镜作为远场超透镜来实现在白光照明下的50nm(λ/8)超分辨率成像。已经表明，微球体是将近场图像信息传输到远场的理想候选，这是解决衍射极限的关键。放大倍率取决于透镜的材料(折射率)和尺寸。根据本发明，光能被限制在小区域内，而不是消散掉。这是近场扫描光学显微镜(NSOM)等技术的显著优点。在根据本发明的合适设备中，该粒子透镜纳米镜可以在透射和反射模式下工作，从而为体内观察周围空气中的病毒和分子提供了灵活性。

图1a示出了微球体(粒子透镜)纳米镜背后的物理特性。在该图中，被成像或放大的样品对象被放置在诸如常规显微镜的物镜之类的光学部件下方的台上。此处，微球体被放置在样品对象的表面上。图1b示出了被捕捉的50nm分辨率图像的SEM。图1c示出了该粒子透镜纳米成像背后的物理特性归因于当光透过粒子透镜时近场中的光能增强。在我们先前的研究中，使用了SiO₂粒子透镜(折射率：在光学范围中约为1.4)。基本上，通过设计具有更高折射率的新粒子透镜——尤其是对于根据几何光学近似下的射线追踪折射率接近2的材料——可以实现更高的场增强和更小的聚焦斑。蓝宝石粒子透镜是好的候选(折射率：大约为1.8)。根据本发明，由这些材料制成的粒子透镜还可以将当前的成像能力缩小至20nm。

研究了折射率大于2.0的粒子透镜的设计，因为其在近场中的能量定位更加显著。这表明，这种新方法可以在白光照明下实现20nm的分辨率。然而，存在技术问题：图1c示出了其焦点在球体内收缩。因此，该粒子透镜被截成局部球体，使得焦点出现在用于对应用成像的透镜外部。

另一方面，粒子透镜的尺寸也决定它的聚焦。图2示出了内部有直径10μm的微球体的透镜架上的一个单孔。作为对20nm分辨率粒子透镜纳米镜的设计和实验的方针，进行了广泛的理论探讨，以研究透镜尺寸与其聚焦能力之间的关系。在本发明中，光学细观场中的光聚焦有着丰富的物理背景，这在高级光学中很少被研究。隐失波和传播波都存在于光学远场与近场之间的该独特的区域。

图3a示出了根据本发明的实施方式的用于容纳和保持微球体粒子透镜的膜。膜5可以由选自包括以下的组的材料制成：硅、二氧化硅、蓝宝石、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)或其组合。具体地，膜5具有彼此相对的两个表面，第一表面10和第二表面15。可替代地，第一表面10和第二表面15可以仅是膜5的顶部表面和底部表面。开口20穿透膜5，并且开口20被定尺寸成保持微球体25。如从膜5的横截面视图中可以看出的，开口20是锥形的，即，第一表面10上的开口的尺寸大于第二表面15上的开口的尺寸。该配置允许开口20接收并且保持微球体25。在实施方式中，开口20的轮廓类似于倒角锥形。可替代地，开口20的轮廓为截头圆锥形。

在本发明的实施方式中，微球体的直径可以在4μm到50μm之间。就此点而言，开口20可以被适当地定尺寸成接收和保持这样的微球体，即，第一表面10的开口20的尺寸大于微球体25的直径，并且第二表面15的开口20的尺寸小于微球体25的直径。膜5的厚度可以等于或小于微球体25的直径。

在微球体被放置在物镜与样品30的表面之间以用于对样品30成像时，在开口20的中心轴(图中未示出但平行于入射光线)与开口20的一侧(即开口20的成角度侧)之间形成的角度大于显微镜的物镜的数值孔径。样品30可以放置在台35上。

膜5的表面可以涂覆有反射层40。例如，金属层可以涂覆在膜5的表面上。可以使用任何合适的金属，但在实施方式中，可以使用选自以下组的任何一种金属：金、银、铬、铝、铜或其组合。

根据本发明，为了开发用于实际应用的粒子透镜纳米镜，设置动态光学控制系统以操纵粒子透镜并且以非接触模式调节其距样品表面的距离。粒子透镜的尺寸通常为几微米，使得对图3a中的粒子透镜与对象之间的距离的准确控制是至关重要的。在本发明中，粒子透镜架通过以下步骤制成：将倒角锥形蚀刻到硅晶片上、然后依次在晶片上进行金属层涂覆和粒子透镜沉积。然后，将透镜组件安装在纳米定位台上以灵活地调整透镜位置，以使对象能清晰地聚焦。样品可以安装在与粒子透镜保持一定距离的XYZ压电台上。扫描样品以进行整个表面成像。

根据本发明的另一方面，膜5可以耦接至支承结构，该支承结构被配置成当样品30正被成像时将微球体5定位在显微镜45的物镜与样品30的表面之间。该支承结构允许将微球体定位在样品30的表面上方的预定距离处。在特定实施方式中，预定距离小于1μm。

如图3b所示，支承结构可以是包括桥或悬臂55的纳米台50，保持微球25的膜5被耦接至悬臂55的远端60。纳米台50允许悬臂55在x、y和z轴方向上移动。

在替代实施方式中，如图5b所示，支承结构与传统的常规光学显微镜集成在一起并且包括框架65，框架65具有从框架65的一侧延伸到框架65的内部空间A中的至少一个臂70，保持微球体25的膜5耦接至所述至少一个臂70。如图所示，框架65具有从框架65的相对侧延伸到框架65的内部空间A中的至少一个臂70，保持微球体25的膜5被布置在相对的臂70之间。臂可以由金属制成。因此，臂70允许膜5在沿x、y或z轴方向(即3维运动)的任何位置处的运动。

图5a示出了集成显微镜的透视图。

支承结构可以通过金属臂70稳定地安装在物镜管上，并且位于样品30与物镜45之间。这允许实现远场超分辨率成像。这允许实现远场超分辨率成像。在实施方式中，承载微球体25的膜5由四个细金属棒70保持。微球体25在框架65内具有小的行进范围。精确地控制膜5在x、y和z方向上的运动的电控制器连接至该芯片(膜5)。该设计确保了微球体25和样品30的相对运动，这对成像过程是有益的。在微球体25和物镜45对准之后，可以通过调节样品30的位置来完成对样品表面30的扫描。因此，可以以更高的分辨率对感兴趣区域成像。

臂70通过螺纹部75附接至框架，并且这些螺纹部的螺纹作用对膜5在样品30的表面上方的位置进行调节。

现在描述操作的方法。膜及其边缘的大小被特别设计成不中断在不同物镜45之间的切换。为了将微球体25垂直定位在样品30上方，将四个细金属棒70连接至该膜5的边缘，以精确地控制微球体25的位置。为了沿y轴方向移动微球体25，可以通过来自纳米台的机械力水平地承载金属棒70以旋转螺纹部75。微球体25也能够通过沿框架65的下层80移动金属棒70而沿x轴方向移动，这也由电控制器控制。当透镜组件芯片安装到显微镜上时，框架65的表面层85的位置被固定，然而，框架65的下层的z轴位置是可调的。通过调节在框架65的下层80与表面层85之间的间隙来控制微球体25的z轴位置。

在光学超分辨率成像期间，在将透镜组件芯片集成到常规光学显微镜上之后，用户需要确保膜5不直接位于物镜下方。目的是确保微球体25不会中断正常的成像过程。下一步骤是将样品30放置在显微镜负载上。从低倍率物镜逐渐切换到高倍率物镜与常规的成像过程类似。唯一的区别发生在用户已定位感兴趣的区域并且切换物镜之后。此时，承载微球体25的薄膜5由电控制器慢慢地移动到物镜45与样品30之间的间隙中。在确保微球体25位于感兴趣区域的正上方之后，控制z轴上的运动可以调节微球体25的焦平面，可以实现最佳图像。通过这种方式，由计算机记录放大的图像，该放大的图像超过原始光学显微镜的分辨率极限。此外，该透镜组件芯片既可以电动控制也可以手动控制，从而使得能够根据个人需求来自由移动。建议三维(x、y和z)的基本运动以确保该薄芯片的功能。为了确保可以捕捉成像平面，建议膜的最大步进移动在z轴上小于1μm。当更大的尺寸可用时，该芯片可以倾斜或旋转，以满足实验中的不同需要，包括微球体与样品之间的平行度和平台校准。

就此点而言，与常规显微镜一起，膜和其支承结构提供用于对对象或样品进行成像/放大的系统。因此，总之，本发明提供了用于对样品成像的方法，该方法包括：(a)将微球体25保持在膜5中；(b)将微球体25定位在样品30的表面上方；(c)照射样品30的表面，由此从表面反射的光被反射通过微球体25并且通过光学元件(例如物镜45)聚焦；以及(d)检测光以形成样品30或样品30的表面的图像。

在本发明中，为了解决由于粒子透镜像差引起的图像失真问题，粒子透镜纳米镜可以与激光源或窄波长LED光源耦接。入射光束通过常规的显微镜透镜、粒子透镜，然后照射对象。粒子透镜形成对象的放大虚像，该放大虚像由显微镜透镜收集。

在图4中，说明了通过纳米镜进行成像的实验结果。观察到用直径为200nm和周期为700nm的纳米点阵列来图案化的样品。微球体下的图像通过放大6倍左右而显著改进。

根据本发明，激光器滤除边缘处的失真图像信息。因此，PMT仅收集中心处的图像信息。通过这种方式，可以通过扫描对象表面获得200nm分辨率的高质量图像。另外，据报道，使用常规扫描激光共聚焦显微镜(SLCM)在408nm波长照射下，微球体下方的直接光学超分辨率成像可以达到25nm。

除了提高2D图像的分辨率之外，还利用激光粒子透镜纳米镜进行了3D成像的研究。通过调节纳米台来精确调整粒子透镜的位置，可以将激光束聚焦在样品的不同层上，以获得一系列2D高分辨率图像。根据本发明，图像重建将这些2D图像组合在一起以提供3D图像。

如图6(a)和图6(b)所示，直径10μm的微球体25位于制造成相同直径的孔内。可以观察到，微球体25的边缘与开口20的侧壁紧密接触。利用摩擦力，微球体25稳定地座落在开口20中并且可以与膜5一起移动。具有从4μm到50μm的直径的不同的微球体可以在光学显微镜成像实验中应用。微球体25被困在直径上具有相同的尺寸的开口20内，以确保在用于成像的输送和移动期间的稳定性。对于不同样品的成像，使用设计的镜头组件芯片可以获得反射和透射模式。利用本发明，市场上大多数传统的光学显微镜可以被灵活升级成具有亚100nm分辨率的纳米镜。现在可以以相对较低的价格实现分辨率的显著提高。

为了证明该概念，展示了具有高折射微球体25的远场超分辨率成像，该高折射微球体25具有分辨74nm大小的小特征的能力。微球体的折射率在大约为20μm的直径处为1.9。为了获得更好的分辨率，微球体与环境之间的折射率对比度应该在1.4左右。需要仔细选择具有不同折射率的微球体。还要注意的是，微球体的直径对分辨能力和视场存在影响。在该演示中，微球体位于玻璃基板上并且由3维纳米台控制。光学显微镜是利用白光照明的常规直立式显微镜。采用反射模式进行展示。如图7所示，微球体在样品表面上方的设计路径中移动。因此，在样品量较大的情况下，仍可以达到很好的分辨率。

为了展示该光学显微镜的超分辨率能力，制造了具有设计特征的样品。如图8(a)所示，在实验中应用了尺寸为98nm以及小至74nm的不同结构。当微球体位于样品表面上方大约2μm处时，如图8(b)所示，可以观察到清晰的图像。样品上的精细特征可以经由微球体纳米成像来清晰区分。该实验证实，通过将微球体定位在物镜与样品之间，可以实现高分辨率。最重要的是，微球体不与样品接触。因此，使得微球体能够自由移动，并且在成像过程期间实现灵活的扫描。此外，可以保护样品免受污染。

为了展示微球纳体米镜的扫描模式，记录如图7设计的运动，并且在图9中示出了视频芯片。微球体由玻璃基板承载，并且位于样品表面上方。样品上方的移动速度和距离可以通过纳米台来控制。最佳观察窗位于微球体的中心，其中，球面像差是最不显著的。最小的移动步进由纳米台来决定。为了实现这种设置的高性能，建议移动步进小于1μm。

总之，本发明提供了一种新的纳米镜，该纳米镜可以在微球体的辅助下观察50nm的结构。通过进一步引入样品与微球体之间的间隙，该非物理接触模式成像方法有益于许多方面，例如，对脆弱样品没有损害(生物样品友好)、可以捕捉最佳焦平面、快速扫描整个表面的能力、结合激光源来提高分辨率并且显著降低成本(与共聚焦显微镜和NSOM相比)。

常规光学显微镜在入射波长的大约一半处受限于衍射极限，从而导致最高分辨率在200nm左右。本发明为在光学显微镜中灵活实现超分辨率提供了解决方案，从而实现了低于100nm的分辨率(低至25nm)。目前的方法需要高成本和严格的条件来实现该分辨率。降低制造成本并且简化实验程序也是该专利在实际应用中的关键优点。

其他关键功能包括：

·通过将微球体(粒子透镜)与常规显微镜耦接的光学超分辨率纳米成像方案。

·微球体(粒子透镜)被定位成以非物理接触模式靠近样品表面作为光学透镜。

·透镜组件被设计成控制微球体距样品一定距离。

·粒子透镜组件安装在纳米定位台上，以灵活地调整透镜位置，用于清晰聚焦对象。

·粒子透镜纳米镜可以与白光源、LED光源或激光源耦接。

·入射光束通过常规显微镜透镜、粒子透镜，然后照射在对象上，粒子透镜形成对象的放大虚像，该放大虚像由显微镜透镜收集。

·通过引入样品与微球体之间的间隙，该非物理接触模式成像方法不给易碎样品造成损害(生物样品友好)、可以捕捉最佳焦平面、快速扫描整个表面的能力、与白光源、LED光源或激光源结合，以显著提高分辨率并降低成本。

尽管在先前的描述中已描述了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的情况下，可以对设计或构造的细节进行许多变化或修改。

Claims (17)

1.一种用于对样品成像的装置，包括膜和支承结构，其中，所述膜耦接至所述支承结构，所述支承结构被配置成将微球体定位在显微镜的物镜与样品的表面之间，以用于对所述样品成像，

其中，所述膜用于光学纳米成像并且具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面彼此相对，所述膜包括：

(a)穿透所述膜的开口，所述开口被定尺寸成保持所述微球体，

其中，所述开口是锥形的，所述第一表面上的开口的尺寸大于所述第二表面上的开口的尺寸，

其中，所述微球体突出所述第二表面，

其中，当所述微球体被水平地放置在显微镜的物镜与样品的表面之间以用于对所述样品成像时，在所述开口的中心轴线与所述开口的一侧之间形成的角度大于所述物镜的数值孔径，并且

其中，所述角度大于64度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开口的内部轮廓是截头圆锥形的。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜的表面涂覆有金属。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述金属是选自包括以下的组中的任何一种金属：金、银、铬、铝、铜或其组合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述开口被定尺寸成保持直径在4μm至50μm之间的微球体，所述第一表面上的开口的尺寸大于所述微球体的直径，并且所述第二表面上的开口的尺寸小于所述微球体的直径。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜的厚度等于或小于所述微球体的直径。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述膜由选自包括以下的组中的材料制成：硅、二氧化硅、蓝宝石、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)或其组合。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支承结构被配置成将所述微球体定位在所述样品的表面上方预定距离处。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述预定距离小于1μm。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支承结构是包括悬臂的纳米台，保持所述微球体的膜耦接至所述悬臂的远端。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支承结构是框架，所述框架包括从所述框架的一侧延伸到所述框架的内部空间中的至少一个臂，保持所述微球体的膜耦接至所述至少一个臂。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述框架包括从所述框架的相对侧延伸到所述框架的内部空间中的至少一个臂，保持所述微球体的膜被布置在相对的臂之间。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述臂通过螺纹部附接至所述框架，这些螺纹部的拧紧作用对所述膜在样品的表面上方的位置进行调节。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述支承结构被配置成将所述微球体定位在沿x、y或z轴方向的任何位置处。

15.一种用于对样品成像的系统，所述系统包括：

(a)光学部件；以及

(b)根据权利要求1至14中任一项所述的装置。

16.一种用于对样品成像的方法，所述方法包括：

(a)将微球体保持在根据权利要求1至14中任一项所述的装置包括的膜中；

(b)将所述微球体定位在所述样品的表面上方；

(c)照射所述样品的表面，由此从所述表面反射的光被反射通过所述微球体，并且聚焦通过光学部件；以及

(d)检测所述光，以形成所述表面的图像。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述微球体被定位在所述样品的表面上方小于1μm的预定距离处。