CN1258103C - 超分辨载/盖玻片以及获得超分辨空间分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超分辨载/盖玻片以及获得超分辨空间分辨率的方法，它涉及显微成像技术，特别是针对纳米尺度的样品可实现超瑞利分辨极限的显微成像构件及方法。所述载/盖玻片由基片、电介质保护内层、含有纳米颗粒的光学非线性层以及电介质保护外层构成，其中的纳米颗粒为具有负的介电系数实部的材料，电介质保护外层朝向样品。将该超分辨载/盖玻片结合普通的光学显微镜使用即可达到近场光学显微镜一样的效果。可以只使用该载玻片或盖玻片，也可以两者同时使用。被观察样品置于该载/盖玻片之间并将两者夹紧、置于普通的光学显微镜样品台上，对样品进行观察，即可获得超瑞利分辨极限的空间分辨率。

Description

超分辨载/盖玻片以及获得超分辨空间分辨率的方法

技术领域：

本发明涉及光学显微成像技术，特别是针对纳米尺度的样品可实现超瑞利分辨极限的光学显微成像构件及方法。

背景技术：

一般的光学观测仪器都在远场中工作，即在远大于一个波长的范围内测量或观察，它无法避免由于光的波动性所造成的干涉和衍射效应，所以其空间分辨率受限于衍射极限(或称瑞利分辨极限，即0.61λ/.N.A，其中N.A.是成像系统的数值孔径)。因此，在远场的观测范围内，要获得高的空间分辨率，一般使用：①短波光源，如紫外光、X光以至电子束；②高折射率的介质，如油浸物镜；③高N.A的物镜。然而，通过②与③提高空间分辨率是很有限的；而①中使用的电子束对真空的要求及对样品造成破坏等限制了其使用范围，紫外光则对样品材料要求苛刻，大多数样品无法透射而且光源昂贵，X光源多是同步辐射加速器所产生的同步辐射，设备庞大、代价高。

近年来，快速发展的近场光学显微镜可以达到很高的空间分辨率。它是一种光学探测方法，属于非破坏性检测方法，也具有传统光学显微镜的优点。其基本原理是在远小于一个波长的距离范围内(即在近场中)进行光学测量，以获得超衍射极限(或称超瑞利分辨极限，简称超分辨)的空间分辨率的方法。其空间分辨率实际上取决于光纤探针末端光学孔径的大小，以及光学探针与样品间的距离。近场光学显微镜，目前是使用熔拉或腐蚀的光纤，并在其外表镀上金属薄膜以形成末端具有10nm至100nm直径尺寸的光学孔径作为光学探针，再以可作精密位移与扫描探测的压电陶瓷材料结合原子力显微技术(AFM)所提供的高度精确的回馈控制，将光学探针非常精确地控制在被测样品表面上1nm至100nm的高度，进行三维空间可回馈控制的近场探测，而具有纳米尺度光学孔径的光纤探针既可用于接收也可用于发射光信息，由此可获得样品三维空间的近场光学信息。但是，由于近场光学显微镜是在近场范围内工作，需要很精密的控制系统，操作复杂且要非常小心，光纤探针也要定期更换，需要专业技术人员，同时价格也非常昂贵，限制了其广泛的应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可在普通的光学显微镜上使用的超分辨载/盖玻片、以及利用它获得超分辨的空间分辨率的方法。

本发明由以下技术方案来实现：

载/盖玻片由基片、170nm厚的电介质保护内层、15nm厚的含有纳米颗粒的光学非线性层以及40nm厚的电介质保护外层构成，其中的纳米颗粒为具有负的介电系数实部的材料，电介质保护外层朝向样品。

其中的纳米颗粒为贵重金属金或银，或者为ZnO。电介质为SiO₂，ZnS，SiN或其组合物。

将被观察样品置于上述超分辨载玻片与超分辨盖玻片之间、或置于普通载玻片与上述超分辨盖玻片之间、或置于上述超分辨载玻片与普通盖玻片之间，并将载/盖玻片两者夹紧、置于普通的光学显微镜样品台上，对样品进行观察。

也就是说，本发明是利用一种由纳米量级尺度的材料所形成的多层结构的载/盖玻片以实现超分辨。

超分辨载/盖玻片的结构组成如图1所示。第一层是基片1，可以是普通的载/盖玻片；第二层是电介质保护内层2，可以是SiO₂，ZnS，SiN等电介质或其组合物构成的薄膜，应根据光学非线性层中纳米颗粒的材料性质进行选择，厚度为130-170nm；第三层是含有纳米颗粒的光学非线性层3，它可以是由单纯的纳米颗粒构成的薄膜层，也可以是由纳米颗粒掺杂而成的有机薄膜层，纳米颗粒5是具有负的介电系数实部的材料，如：金(Au)、银(Ag)等贵重金属或ZnO，纳米颗粒的尺度为5-10nm左右，有机材料可以为聚碳酸脂(PMMA)，非线性层的厚度为10-20nm；第四层是电介质保护外层4，材料同内层，厚度为40-100nm。使用时，被测样品置于第四层电介质保护外层的外面，而基片则朝向物镜或样品台。

含有纳米尺度颗粒的光学非线性层相当于近场光学显微镜中具有纳米量级光学孔径的光纤探针部分，非线性层中的纳米颗粒可有效的实现超瑞利分辨极限的空间分辨；具有纳米尺度的保护外层则取代近场光学显微镜中控制光纤探针与样品表面之间的距离维持在近场范围内的方法。由于光的波动性，光波在被观察物的精细结构(小于光波长)上衍射产生非辐射的近场光而无法被观察到，因此，通常的显微观察都受衍射分辨率极限的限制，无法观察小于光波长的精细结构。而随机分布的纳米颗粒可以被等效地看成是周期小于波长的精细光栅，这样的光栅可以将非辐射的近场光耦合成辐射场传播到远处从而能够观察到超衍射分辨率极限的纳米级的样品。

该超分辨载/盖玻片结合普通的光学显微镜使用即可达到近场光学显微镜一样的效果。可以只在载玻片或盖玻片上使用上述的多层膜结构；也可以在载玻片和盖玻片上同时使用上述的多层膜结构，以使成像更清晰。将被观察样品置于上述超分辨载玻片与超分辨盖玻片之间、或置于普通载玻片与上述超分辨盖玻片之间、或置于上述超分辨载玻片与普通盖玻片之间，并将载/盖玻片两者夹紧、置于普通的光学显微镜样品台上，对样品进行观察，即可实现超瑞利分辨极限的空间分辨率。

综上所述，本发明的创新之处在于将近场光学显微镜的光纤探针部分以及光纤探针与样品表面之间的距离维持在近场范围内的高精度控制部分，通过超分辨的载/盖玻片来实现。可以象普通的载/盖玻片一样，简单、方便地在普通光学显微镜上使用，并可获得超瑞利分辨极限的空间分辨率。

采用该超分辨载/盖玻片来实现超分辨的空间分辨率的特点：

●通过含有纳米颗粒的光学非线性层克服衍射极限，随机分布的纳米颗粒等效于周期小于波长的精细光栅，从而观察到超衍射分辨率极限的纳米级的样品结构。因而分辨率高。

●该超分辨载/盖玻片可利用现有的真空技术方便制做；不需要光纤探针，不需要精密的控制系统；可以与普通光学显微镜结合使用。因而整个系统价格相对低廉。

●近场距离保持不变(由电介质保护外层的厚度而定)；不需要专业技术人员进行操作，能够快速的对样品进行观测。因而便于推广应用。

附图说明：

附图1、本发明的超分辨载/盖玻片结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例进行描述。

超分辨载/盖玻片结构如图1所示，利用常规的真空溅射技术制做。光学非线性层是15nm厚的金(Au)颗粒膜，该层起到近场光学显微镜中具有纳米量级光学孔径的光纤探针的作用。电介质保护外层是40nm厚的ZnS-SiO₂(ZnS与SiO₂的化学比为1∶1)介质膜，相当于近场光学显微镜中控制光纤探针与样品表面之间的距离维持在近场范围内的方法。电介质保护内层是170nm厚的ZnS-SiO₂(ZnS与SiO₂的化学比为1∶1)介质膜，基片是普通的载/盖玻片。将待观测样品(100nm的聚苯乙烯聚合物小球)放在超分辨载玻片的电介质保护外层上，超分辨盖玻片的电介质保护外层面盖在样品上并用压片夹压紧，使用普通光学显微镜，即可对样品实现超瑞利分辨观察。该超分辨载/盖玻片的使用方法同普通的载/盖玻片使用方法一样。利用金(Au)纳米颗粒光学非线性层制成的该结构的超分辨载/盖玻片可以清晰地分辨100nm的聚苯乙烯聚合物小球的像，其中照明激光的波长为633nm。

Claims (5)

1、一种超分辨载/盖玻片，其特征在于：由基片(1)、170nm厚的电介质保护内层(2)、15nm厚的含有纳米颗粒的光学非线性层(3)以及40nm厚的电介质保护外层(4)构成，其中的纳米颗粒为具有负的介电系数实部的材料，电介质保护外层朝向样品。

2、一种如权利要求1所述的超分辨载/盖玻片，其特征在于：所述的纳米颗粒为金或银。

3、一种如权利要求1所述的超分辨载/盖玻片，其特征在于：所述的纳米颗粒为ZnO。

4、一种如权利要求1或2或3所述的超分辨载/盖玻片，其特征在于：所述的电介质为SiO₂，ZnS，SiN或其组合物。

5、一种获得超分辨空间分辨率的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的超分辨载/盖玻片，将被观察样品置于所述的超分辨载玻片与超分辨盖玻片之间、或置于普通载玻片与所述超分辨盖玻片之间、或置于所述超分辨载玻片与普通盖玻片之间，并将载/盖玻片两者夹紧、置于普通的光学显微镜样品台上，对样品进行观察。

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