Hyperlens 综合显微镜和超分辨率成像的演示
Summary
hyperlens 的应用是一种新型的超分辨率成像技术, 由于其在 real-time 成像中的优越性和常规光学的简单实现。在这里, 我们提出了一个描述球面 hyperlens 的制作和成像应用的协议。
Abstract
利用超分辨率成像克服传统显微镜的衍射极限, 引起了生物学和纳米技术研究人员的兴趣。虽然近场扫描显微镜和 superlenses 改善了近场区域的分辨率, 但远场成像在 real-time 仍然是一个重大挑战。最近, 将倏逝波放大并转化为传播波的 hyperlens, 已经成为远场成像的一种新方法。在这里, 我们报告的制造一个球形 hyperlens 由交替银 (银) 和氧化钛 (2) 薄层组成。与传统的圆柱形 hyperlens 不同, 球面 hyperlens 允许 two-dimensional 放大。因此, 纳入常规显微镜是直接的。提出了一种新的与 hyperlens 集成的光学系统, 使得在远场区域能实时获得波长图像。在本研究中, 详细说明了制作和成像的设置方法。这项工作还描述了 hyperlens 的可及性, 以及 real-time 成像在活细胞中的实际应用, 这可能导致生物学和纳米技术的革命。
Introduction
在活细胞中观察生物分子的愿望导致了显微镜的发明, 显微镜的问世在过去的几个世纪里传播了生物学、病理学和材料科学等各个领域的革命。然而, 进一步的研究进展受到了衍射的限制, 这限制了常规显微镜的分辨率约为波长的一半1。因此, 克服衍射极限的超分辨率成像是近几十年来的一个有趣的研究领域。
由于衍射极限是由于倏逝波的损失, 其中包含波长信息的对象, 早期研究已经进行, 以保持倏逝波消失或恢复他们2,3。为了克服衍射极限的努力, 首次报道了近场扫描光学显微镜, 它收集的倏逝场在接近对象之前, 它被驱散2。然而, 由于扫描整个图像区域和重建需要很长的时间, 它不能用于 real-time 成像。虽然另一种基于 “透镜” 的方法, 它放大了倏逝波, 提供了 real-time 成像的可能性, 但波长成像只能在近场区域中进行, 无法远远超过对象4,5,6,7。
最近, hyperlens 已成为一种新的方法来 real-time 远场光学成像8,9,10,11,12。hyperlens 是由高各向异性双曲型材料13组成的, 它具有平坦的双曲色散, 因此它支持具有相同相速度的高空间信息。此外, 由于动量守恒定律, 高横向波随着波通过圆柱形几何而逐渐压缩。这种放大的信息可以通过远场区域的传统显微镜来检测。这对于 real-time 远场成像是特别重要的, 因为它不需要任何定点扫描或图像重建。此外, hyperlens 可以用于除成像以外的其他应用, 包括纳米。由于反对称14、15、16, 通过反向方向的 hyperlens 的光线将聚焦到 sub-diffraction 区域。
在这里, 我们报告的球状 hyperlens, 放大 two-dimensional 信息在可见光的频率。与传统的圆柱形几何不同, 球形 hyperlens 在两个侧面尺寸中放大物体, 从而促进实际的成像应用。详细介绍了 hyperlens 的制作方法和成像装置, 并对高质量的 hyperlens 进行了详细的再现。为了证明它的 super-resolving 力, 波长的物体被刻在 hyperlens 上。证实了被 hyperlens 的小特征被放大。因此, 在远场区域中实时地得到了清晰解析的图像。这种新型的球形 hyperlens, 其易于与传统的显微镜结合, 提供了实际的成像应用的可能性, 导致了一个新的时代, 生物学, 病理学和一般纳米。
Protocol
Representative Results
Discussion
hyperlens 的制作包括三主要步骤: 通过湿蚀刻过程将半球形几何定义为石英基底, 用电子束蒸发系统堆叠金属和介电多层, 并刻在 Cr 层上的对象。最重要的步骤是第二, 因为它可以显著地影响质量的 hyperlens。在薄膜沉积过程中, 有两个条件需要特别注意清晰的构图像。堆叠多层形是其中的一个关键问题, 由于 non-conformal 沉积的多层导致一个偏离完美的球形形状。如果薄膜沉积速度不够慢, 在中心和半?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作是由年轻的研究员项目 (NRF-2015R1C1A1A02036464), 工程研究中心计划 (NRF-2015R1A5A1037668) 和全球前沿计划 (CAMM-2014M3A6B3063708), m.k, 轮, I.K. 承认全球博士学位资助。奖学金 (NRF-2017H1A2A1043204、NRF-2017H1A2A1043322、NRF-2016H1A2A1906519) 通过韩国国家研究基金会 (NRF) 资助, 由韩国政府科学、信息和通信技术和未来规划部 (MSIP) 提供。
Materials
| Focused Ion Beam milling machine | FEI | Helios Nanolab G3 CX | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| Scanning electron microscopy | Hitachi | SU6600 | |
| Inverted microscopy | Zeiss | Axiovert 200 | |
| Light source | EXCELITAS Technologies | X-Cite 110 LED | |
| Band pass filter | Chroma | ET405/30M | |
| Objective lens | Zeiss | Plan-Apochromat | NA=1.3, 100X |
| CCD camera | Andor | Zyla 4.2 | |
| Quartz wafer | CORNING | Fused Silica Corning 7980 | |
| Buffered oxide etchant | J.T Baker TM | J.T.Baker 5175 | |
| Photoresist | AZ electronic materials | GXR-601 PR | |
| Chromium etchant | SIGMA-ALDRICH | 651826 | |
| Aceton | J.T Baker TM | UN1090 | |
| Isopropyl alcohol | J.T Baker TM | UN1219 | |
| FEM simulation tool | COMSOL 5.1 Multiphysics |
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