CN203365326U - 一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置 - Google Patents

Abstract

一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，包括：照明激光光源，扩束透镜，近端反射镜，载物芯片，显微物镜，远端反射镜，滤光片，收集透镜和CCD图像传感器；照明激光光源发出的激光扩束后经近端反射镜辐照到载物芯片的中的聚合物薄膜；其中的荧光分子所发出的荧光在载物芯片中形成导模并被束缚于聚合薄膜与空气界面处，使样品底部靠近载物芯片处被近场照亮并散射；然后被显微物镜收集，经过远端反射镜和滤光片滤去照明激光后，被收集透镜收集成像于CCD图像传感器。本实用新型基于荧光导波模式的束缚性，简化了显微架构，实现了暗场显微功能。

Description

一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置

技术领域

本实用新型涉及显微成像的技术领域，特别涉及一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置。 

背景技术

光学显微镜作为在显微成像领域的必备工具，已经广泛地被相关领域人员应用。其也因为用途不同而分为明场显微镜、暗场显微镜、相位差显微镜、视频显微镜、荧光显微镜、偏光显微镜、共聚焦显微镜、金相显微镜等。尤其的，在部分样品由于其折射率与周围环境比较接近情况下，明场下的观测结果不明显，因此经常使用暗场显微成像的方法来观察。其原理一般是用一些光学元件将照明光源以较大角度（大于收集显微物镜的数值孔径所对应的角度）斜入射到样品上，只有散射光被物镜收集成像，可以明显的表征物体的边缘轮廓，既看清了其形貌，又凸显了样品的对比度。 

实现暗场的方法很多，就现有技术来说，一般实现方法都是锥镜或是光阑等光学元件而制造出中空的光束来实现大角度入射。其主要存在的问题为：（1）透过效率低。由于光阑等光学元件，使远场激发照明光在入射时候难以全部被利用，造成能量损失。（2）性价比低。利用光学元件组等复杂工艺实现的暗场功能，其由于多个光学元件的加入而造成价格的提升不利于普及。（3）要求苛刻。普通的暗场系统中，由于要很好的滤去照明光需要对光路的准直性有着很严格的要求，这不利于成像系统的扩展，不利于本领域技术人员的研究。 

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题：克服现有暗场显微镜成像技术的不足，提出一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置及，实现方便易扩展，经济高效的暗场显微，解决了传统远场激发效率低，光路复杂的技术问题，是一种低成本、实用性强的显微成像技术。 

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，包括：照明激光光源、扩束透镜、近端反射镜、载物芯片、显微物镜、远端反射镜、滤光片、收集透镜和CCD图像传感器；所述扩束透镜2位于照明激光光源1的左侧，且扩束透镜2的中心与光源发出的光束中心对准；所述近端反射镜3位于扩束透镜2的左侧，并且在所述的载物芯片正下方；所述显微物镜7位于载物芯片的上方和远端反射镜3’的下方；所述滤光片9、收集透镜10、CCD图像传感器11依次位于远端反射镜3’的右侧，并且中心对齐；被 观测样品置于载物芯片上方；所述载物芯片由玻璃基底层4、金属薄膜层5、掺杂荧光分子的聚合物薄膜层6由下而上依次构成，用于束缚被激发的荧光，直接实现暗场的功能；被观测样品置于载物芯片上方；所述照明激光光源发出的激光经过扩束透镜扩束后经近端反射镜照亮载物芯片，并且激发其聚合物薄膜层中的掺杂荧光分子，荧光分子发出的荧光在上层空气层与下层金属薄膜层之间形成导模，并束缚于聚合薄膜层与空气界面处，当样品置于载物芯片的上时候，样品底部靠近载物芯片的处被荧光照亮并散射；散射光直接被显微物镜收集，经过远端反射镜和滤光片滤去照明激光后，被收集透镜收集成像于CCD图像传感器，实现暗场观测。 

本实用新型技术方案的原理为：激发照明光源照亮载物芯片的中的掺杂荧光分子，聚合物薄膜中的荧光分子发出的荧光在上层空气层与下层金属层之间形成导模，并束缚于聚合薄膜与空气界面处而不会被传播到远场。仅仅当样品置于载物芯片的上时候，荧光近场照亮样品，使其底部靠近载物芯片的处被散射，然后被显微物镜收集成像。 

本实用新型和传统技术相比的优点在于： 

（1）结构简单：无需额外的光学元件来控制激发照明光源的角度，解决了常规暗场显微系统光路复杂不易扩展的问题； 

（2）集成性高，载物芯片同时起到载物，激发荧光近场直接照亮样品，和屏蔽激发光的作用； 

（3）成本低：载物芯片制作简单易行，扩展性好，成本较低，从而实现了适于研究的新型暗场显微技术； 

（4）操作性好：载物芯片中的聚合物层厚度，都可以实现不同效果的暗场，因而观测暗场时候可以随时更换芯片，以适合所需的样品。 

（5）本实用新型所旋涂的PMMA层在金属薄膜层的上方既保护了表面使其不易被氧化，又减小了金属薄膜层的粗糙度，使其更好的束缚被激发的荧光。 

（6）本实用新型中的波导束缚的荧光暗场显微方法，激发光采用可以激发荧光分子R6G的532nm激光器，激发出的荧光束缚于波导之中，实现近场照明。 

（7）本实用新型通过改变刻写聚合物薄膜层的厚度时，可以激发不同的导模。束缚能力也不同，实现暗场中样品的近场照明区域的调节。 

（8）本实用新型中蒸镀到基底上的金属膜，其厚度控制在几十纳米，有效的使荧光形成导模，提高了对比度。 

附图说明

图1为本实用新型基于波导束缚的荧光暗场显微装置结构示意图； 

图2为暗场成像示意图；其中a为利用有银膜的载物芯片实现的暗场成像示意图，b为利用无银膜的载物芯片实现的暗场成像示意图； 

图3为本实用新型的基于波导束缚的荧光暗场显微方法的流程图。 

其中，1、照明激光光源，2、扩束透镜，3、近端反射镜，4、玻璃基底层，5、金属薄膜层，6、掺杂荧光分子的聚合物薄膜层，7、显微物镜，3’、远端反射镜，9、滤光片，10、收集透镜，11、CCD图像传感器. 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型基于波导束缚的荧光暗场显微装置包括：照明激光光源1，扩束透镜2，近端反射镜3，载物芯片，显微物镜7，远端反射镜3’，滤光片9，收集透镜10和CCD图像传感器11。被观测样品置于载物芯片上方；载物芯片由玻璃基底层4、金属薄膜层5、掺杂荧光分子的聚合物薄膜层6由下而上依次构成，用于束缚被激发的荧光，直接实现暗场的功能；其中金属薄膜层5由一层银构成，掺杂荧光染料的聚合物薄膜层6由含荧光分子的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）构成；荧光分子为R6G；照明激光光源1的波长为532纳米。金属薄膜层5厚度为45纳米，PMMA层的厚度为50纳米，这样可以激发导模，实现高对比度的暗场成像功能。 

照明激光光源1发出的激光经过扩束透镜2扩束后经近端反射镜3照亮载物芯片，并且激发其聚合物薄膜层6中的掺杂荧光分子，荧光分子发出的荧光在上层空气层与下层金属薄膜层5之间形成导模，并束缚于聚合物薄膜层6与空气界面处，当样品置于载物芯片的上时候，样品底部靠近载物芯片的处被荧光照亮并散射；散射光直接被显微物镜7收集，经过远端反射镜3’和滤光片9滤去照明激光后，被收集透镜10收集成像于CCD图像传感器11，实现暗场观测。 

如图2（a）所示，本实用新型很好的实现了边缘轮廓的高对比度暗场成像。随着聚合物薄膜的厚度的改变，可以激发聚合物薄膜中的不同的导波模，实现暗场功能，尤其当金属薄膜层5的厚度为零时候，即没有金属薄膜层5，此时依旧可以激发聚合物薄膜中的不同的导波模式，实现暗场成像，如图2（b）所示。 

如图3所示，本实用新型工作过程为： 

第一步，制样：制备具有直接实现暗场功能的载物芯片，并且将样品放于载物芯片上方；载物芯片的制备包括为：在玻璃基底4上蒸镀一层金属薄膜层5，再旋涂含荧光分子的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）构成聚合物薄膜层6，烘干后在上方放置样品，制成载物芯片； 

第二，照明：调节照明激光光源1，照明激光光源1发出的激光经过扩束透镜2扩束后经近端反射镜3照亮载物芯片，并且激发其聚合物薄膜层6中的掺杂荧光分子，荧光分子发 出的荧光在上层空气层与下层金属薄膜层5之间形成导模，并束缚于聚合薄膜层6与空气界面处，当样品置于载物芯片的上时候，样品底部靠近载物芯片的处被荧光照亮并散射； 

第三步，观测：激发荧光由于波导的束缚而无需另外加光学元件去过滤，通过显微物镜7收集散射光，散射光经过远端反射镜3’和滤光片9滤去照明激光后，被收集透镜10收集成像于CCD图像传感器11，实现暗场观测。 

本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。 

Claims (4)

1.一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，其特征在于包括：照明激光光源（1）、扩束透镜（2）、近端反射镜（3）、载物芯片、显微物镜（7）、远端反射镜（3’）、滤光片（9）、收集透镜（10）和CCD图像传感器（11）；所述扩束透镜（2）位于照明激光光源（1）的左侧，且扩束透镜（2）的中心与光源发出的光束中心对准；所述近端反射镜（3）位于扩束透镜（2）的左侧，并且在所述的载物芯片正下方；所述显微物镜（7）位于载物芯片的上方和远端反射镜（3’）的下方；所述滤光片（9）、收集透镜（10）、CCD图像传感器（11）依次位于远端反射镜（3’）的右侧，并且中心对齐；被观测样品置于载物芯片上方；所述载物芯片由玻璃基底层（4）、金属薄膜层（5）、掺杂荧光分子的聚合物薄膜层（6）由下而上依次构成。 

2.根据权利要求1所述的一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，其特征在于：所述金属薄膜层（5）由一层银构成。 

3.根据权利要求1所述的一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，其特征在于：所述荧光分子为R6G。 

4.根据权利要求1所述的一种基于波导束缚的荧光暗场显微装置，其特征在于：所述照明激光光源（1）的波长为532纳米。 

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