超分辨載/蓋玻片的製作方法

2023-11-11 01:31:02 6

專利名稱：超分辨載/蓋玻片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學顯微成像技術，特別是針對納米尺度的樣品可實現超瑞利分辨極限的光學顯微成像構件。
背景技術：
一般的光學觀測儀器都在遠場中工作，即在遠大於一個波長的範圍內測量或觀察，它無法避免由於光的波動性所造成的幹涉和衍射效應，所以其空間解析度受限於衍射極限(或稱瑞利分辨極限，即0.61λ/.N.A，其中N.A.是成像系統的數值孔徑)。因此，在遠場的觀測範圍內，要獲得高的空間解析度，一般使用①短波光源，如紫外光、X光以至電子束；②高折射率的介質，如油浸物鏡；③高N.A的物鏡。然而，通過②與③提高空間解析度是很有限的；而①中使用的電子束對真空的要求及對樣品所造成的的破壞等限制了其使用範圍，紫外光則對樣品材料要求苛刻，大多數樣品無法透射而且光源昂貴，X光源多是同步輻射加速器所產生的同步輻射，設備龐大、代價高。
近年來，快速發展的近場光學顯微鏡可以達到很高的空間解析度。它是一種光學探測方法，屬於非破壞性檢測方法，也具有傳統光學顯微鏡的優點。其基本原理是在遠小於一個波長的距離範圍內(即在近場中)進行光學測量，以獲得超衍射極限(或稱超瑞利分辨極限，簡稱超分辨)的空間解析度的方法。其空間解析度實際上取決於光纖探針末端光學孔徑的大小，以及光學探針與樣品間的距離。近場光學顯微鏡，目前是使用熔拉或腐蝕的光纖，並在其外表鍍上金屬薄膜以形成末端具有10nm至100nm直徑尺寸的光學孔徑作為光學探針，再以可作精密位移與掃描探測的壓電陶瓷材料結合原子力顯微技術(AFM)所提供的高度精確的回饋控制，將光學探針非常精確地控制在被測樣品表面上1nm至100nm的高度，進行三維空間可回饋控制的近場探測，而具有納米尺度光學孔徑的光纖探針既可用於接收也可用於發射光信息，由此可獲得樣品三維空間的近場光學信息。但是，由於近場光學顯微鏡是在近場範圍內工作，需要很精密的控制系統，操作複雜且要非常小心，光纖探針也要定期更換，需要專業技術人員，同時價格也非常昂貴，限制了其廣泛的應用。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種可在普通的光學顯微鏡上使用的超分辨載/蓋玻片。
本實用新型由以下技術方案來實現載/蓋玻片由基片、130-170nm厚的電介質保護內層、10-20nm厚的含有納米顆粒的光學非線性層以及40-100nm厚的電介質保護外層構成，其中的納米顆粒為具有負的介電係數實部的材料，電介質保護外層朝向樣品。
其中的納米顆粒為貴重金屬，或者為ZnO。電介質為SiO2，ZnS，SiN或其組合物。
也就是說，本實用新型是利用一種由納米量級尺度的材料所形成的多層結構的載/蓋玻片以實現超分辨。
超分辨載/蓋玻片的結構組成如


圖1所示。第一層是基片1，可以是普通的載/蓋玻片；第二層是電介質保護內層2，可以是SiO2，ZnS，SiN等電介質或其組合物構成的薄膜，應根據光學非線性層中納米顆粒的材料性質進行選擇，厚度為130-170nm；第三層是含有納米顆粒的光學非線性層3，它可以是由單純的納米顆粒構成的薄膜層，也可以是由納米顆粒摻雜而成的有機薄膜層，納米顆粒5是具有負的介電係數實部的材料，如金(Au)、銀(Ag)等貴重金屬或ZnO，納米顆粒的尺度為5-10nm左右，有機材料可以為聚碳酸脂(PMMA)，非線性層的厚度為10-20nm；第四層是電介質保護外層4，材料同內層，厚度為40-100nm。使用時，被測樣品置於第四層電介質保護外層的外面，而基片則朝向物鏡或樣品臺。
含有納米尺度顆粒的光學非線性層相當於近場光學顯微鏡中具有納米量級光學孔徑的光纖探針部分，非線性層中的納米顆粒可有效的實現超瑞利分辨極限的空間分辨；具有納米尺度的保護外層則取代近場光學顯微鏡中控制光纖探針與樣品表面之間的距離維持在近場範圍內的方法。由於光的波動性，光波在被觀察物的精細結構(小於光波長)上衍射產生非輻射的近場光而無法被觀察到，因此，通常的顯微觀察都受衍射解析度極限的限制，無法觀察小於光波長的精細結構。而隨機分布的納米顆粒可以被等效地看成是周期小于波長的精細光柵，這樣的光柵可以將非輻射的近場光耦合成輻射場傳播到遠處從而能夠觀察到超衍射解析度極限的納米級的樣品。
該超分辨載/蓋玻片結合普通的光學顯微鏡使用即可達到近場光學顯微鏡一樣的效果。可以只在載玻片或蓋玻片上使用上述的多層膜結構；也可以在載玻片和蓋玻片上同時使用上述的多層膜結構，以使成像更清晰。將被觀察樣品置於上述超分辨載玻片與超分辨蓋玻片之間、或置於普通載玻片與上述超分辨蓋玻片之間、或置於上述超分辨載玻片與普通蓋玻片之間，並將載/蓋玻片兩者夾緊、置於普通的光學顯微鏡樣品臺上，對樣品進行觀察，即可實現超瑞利分辨極限的空間解析度。
綜上所述，本實用新型的創新之處在於將近場光學顯微鏡的光纖探針部分以及光纖探針與樣品表面之間的距離維持在近場範圍內的高精度控制部分，通過超分辨的載/蓋玻片來實現。可以象普通的載/蓋玻片一樣，簡單、方便地在普通光學顯微鏡上使用，並可獲得超瑞利分辨極限的空間解析度。
採用該超分辨載/蓋玻片來實現超分辨的空間解析度的特點●通過含有納米顆粒的光學非線性層克服衍射極限，隨機分布的納米顆粒等效於周.
期小于波長的精細光柵，從而觀察到超衍射解析度極限的納米級的樣品結構。因而解析度高。
●該超分辨載/蓋玻片可利用現有的真空技術方便製做；不需要光纖探針，不需要精密的控制系統；可以與普通光學顯微鏡結合使用。因而整個系統價格相對低廉。
●近場距離保持不變(由電介質保護外層的厚度而定)；不需要專業技術人員進行操作，能夠快速的對樣品進行觀測。因而便於推廣應用。
超分辨載/蓋玻片結構如
圖1所示，利用常規的真空濺射技術製做。光學非線性層是15nm厚的金(Au)顆粒膜，該層起到近場光學顯微鏡中具有納米量級光學孔徑的光纖探針的作用。電介質保護外層是40nm厚的ZnS-SiO2(ZnS與SiO2的化學比為1∶1)介質膜，相當於近場光學顯微鏡中控制光纖探針與樣品表面之間的距離維持在近場範圍內的方法。電介質保護內層是170nm厚的ZnS-SiO2(ZnS與SiO2的化學比為1∶1)介質膜，基片是普通的載/蓋玻片。將待觀測樣品(100nm的聚苯乙烯聚合物小球)放在超分辨載玻片的電介質保護外層上，超分辨蓋玻片的電介質保護外層面蓋在樣品上並用壓片夾壓緊，使用普通光學顯微鏡，即可對樣品實現超瑞利分辨觀察。該超分辨載/蓋玻片的使用方法同普通的載/蓋玻片使用方法一樣。利用金(Au)納米顆粒光學非線性層製成的該結構的超分辨載/蓋玻片可以清晰地分辨100nm的聚苯乙烯聚合物小球的像，其中照明雷射的波長為633nm。
權利要求1.一種超分辨載/蓋玻片，其特徵在於由基片(1)、130-170nm厚的電介質保護內層(2)、10-20nm厚的含有納米顆粒的光學非線性層(3)以及40-100nm厚的電介質保護外層(4)構成，其中的納米顆粒為具有負的介電係數實部的材料，電介質保護外層朝向樣品。
2.一種如權利要求1所述的超分辨載/蓋玻片，其特徵在於所述的納米顆粒為貴重金屬。
3.一種如權利要求1或2所述的超分辨載/蓋玻片，其特徵在於所述的納米顆粒為ZnO。
4.一種如權利要求1或2所述的超分辨載/蓋玻片，其特徵在於所述的電介質為SiO2，ZnS，SiN或其組合物。
5.一種如權利要求3所述的超分辨載/蓋玻片，其特徵在於所述的電介質為SiO2，ZnS，SiN或其組合物。
專利摘要本實用新型是一種超分辨載/蓋玻片，它涉及顯微成像技術，特別是針對納米尺度的樣品可實現超瑞利分辨極限的顯微成像構件。所述載/蓋玻片由基片、電介質保護內層、含有納米顆粒的光學非線性層以及電介質保護外層構成，其中的納米顆粒為具有負的介電係數實部的材料，電介質保護外層朝向樣品。將該超分辨載/蓋玻片結合普通的光學顯微鏡使用即可達到近場光學顯微鏡一樣的效果。可以只使用該載玻片或蓋玻片，也可以兩者同時使用。被觀察樣品置於該載/蓋玻片之間並將兩者夾緊、置於普通的光學顯微鏡樣品臺上，對樣品進行觀察，即可獲得超瑞利分辨極限的空間解析度。
文檔編號G02B21/34GK2585258SQ0225877
公開日2003年11月5日 申請日期2002年12月10日 優先權日2002年12月10日
發明者王沛, 蔡定平, 魯擁華, 謝建平, 明海 申請人:中國科學技術大學