Демонстрация Hyperlens интегрированы микроскопа и супер-резолюции изображений
Summary
Использование hyperlens рассматривалось как Роман суперразрешением изображений техники из-за ее преимущества в реальном времени обработки изображений и его простой реализации с обычными оптикой. Здесь мы представляем Протокол описания изготовления и обработки изображений приложений сферических hyperlens.
Abstract
Использование супер-резолюции изображений преодолеть дифракционный предел обычных микроскопии привлекла интерес исследователей в области биологии и нанотехнологий. Хотя резолюции в регионе Ближнего поля улучшение сканирующая микроскопия ближнего поля и superlenses, дальнего поля изображения в режиме реального времени остается серьезной проблемой. Недавно hyperlens, которая увеличивает и преобразует затухающих волн в распространении волны, стал новый подход к дальнего поля изображений. Здесь мы приводим изготовления сферических hyperlens состоит из чередующихся серебра (Ag) и тонких слоев титана оксид (TiO2). В отличие от обычных цилиндрических hyperlens сферических hyperlens позволяет для двумерных масштаб. Таким образом включение в обычных микроскопии проста. Предлагается новая оптическая система интегрирована с hyperlens, позволяя для изображения суб волны можно получить в регионе дальнего поля в режиме реального времени. В этом исследовании изготовления и обработки изображений методы установки описаны в деталях. Эта работа также описывает доступность и возможность hyperlens, а также практического применения в реальном времени изображений в живых клетках, которые могут привести к революции в области биологии и нанотехнологий.
Introduction
Желание наблюдать биомолекул в живых клетках привело к изобретению микроскопии, и появлением микроскопии распространяются революции в различных областях, как биология, патологии и материаловедения, за последние несколько столетий. Однако дальнейшее продвижение исследований была ограничена дифракцией, который ограничивает разрешение обычного Микроскопы около половины длины волны1. Таким образом, супер резолюции изображений преодолеть дифракционный предел был интересной областью исследований в последние десятилетия.
Дифракционный предел отнесена к потере затухающих волн, которые содержат вложенные волны информацию об объектах, ранние исследования были проведены для держать затухающих волн от увядать прочь или восстановления их2,3. Усилия, чтобы преодолеть дифракционный предел сперва был сообщен с ближнепольной оптической микроскопии, который собирает затухающих поля в непосредственной близости к объекту, прежде чем это dissipated2сканирование. Однако как сканирование всего изображения региона и реконструкции она занимает долгое время, он не может применяться в режиме реального времени. Хотя другой подход, основанный на «superlens», который усиливает затухающих волн, предоставляет возможность в реальном времени изображений, вложенных волны изображений способна только в регионе Ближнего поля и не может достичь далеко за пределы объектов4, 5 , 6 , 7.
Недавно hyperlens возник как новаторский подход в реальном времени дальнего поля оптических изображений8,9,10,11,12. Hyperlens, которая состоит из высоко анизотропной гиперболических metamaterials13, экспонаты плоский гиперболических дисперсии так, что он поддерживает высокой пространственной информации с той же скоростью фазы. Кроме того из-за закон сохранения импульса, высокой поперечной wavevector постепенно сжимается как волна проходит через цилиндрической геометрии. Это увеличенное информацию таким образом могут быть обнаружены обычных микроскопа в регионе дальнего поля. Это особенно важное значение для реального времени дальнего поля изображений, как он не требует каких-либо точка за точкой сканирования или образа восстановления. Кроме того hyperlens может использоваться для приложений, отличных от изображений, включая нанолитографию. Свет, который проходит через hyperlens в обратном направлении будет сосредоточена на суб дифракции область благодаря симметрии поворот времени14,,1516.
Здесь мы сообщаем о сферических hyperlens, который увеличивает двумерных информацию на видимые частоте. В отличие от обычных цилиндрической геометрии сферических hyperlens увеличивает объекты в двух боковых измерениях, облегчения практических приложений визуализации. Метод изготовления и обработки изображений установки с hyperlens представлены в деталях для размножения hyperlens высокого качества. Объект суб волны вписан на hyperlens ради доказать свою власть супер разрешения. Он подтвердил, что небольшие особенности именных объектов усугубляются hyperlens. Таким образом четко урегулирован изображения получены в регионе дальнего поля в режиме реального времени. Этот новый тип сферических hyperlens, с его простотой интеграции с обычными микроскопии, обеспечивает возможность практического графических приложений, ведущих к заре новой эры в биологии и патологии, общие нанонауки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изготовление hyperlens включает три основных этапа: определение полусферической геометрии в субстрат кварц через процесс мокрой травление, укладки металла и диэлектрических многослойных с помощью системы испарения пучка электронов и вписания объект на слое, Cr. Наиболее важным шагом явля?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансируется молодой исследователь программы (СР 2015R1C1A1A02036464), Инженерно-исследовательский центр программы (СР 2015R1A5A1037668) и программа глобального Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), м.к., с.с., и.к. признать глобальный к.т.н. Стипендии (СР 2017H1A2A1043204, СР 2017H1A2A1043322, СР 2016H1A2A1906519) через Национальный фонд исследований Кореи (NRF) Грант, финансируемый министерством науки, ИКТ и будущего планирования (MSIP) корейского правительства.
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 |
Riferimenti
- Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
- Dürig, U., Pohl, D. W., Rohner, F. Near-field optical-scanning microscopy. J Appl Phys. 59 (10), 3318-3327 (1986).
- Pendry, J. B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens. Phys Rev Lett. 85 (18), 3966-3969 (2000).
- Fang, N., Liu, Z., Yen, T. -. J., Zhang, X. Regenerating evanescent waves from a silver superlens. Opt Express. 11 (7), 682-687 (2003).
- Fang, N., Lee, H., Sun, C., Zhang, X. Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens. Science. 308 (5721), 534-537 (2005).
- Melville, D. O. S., Blaikie, R. J. Super-resolution imaging through a planar silver layer. Opt Express. 13 (6), 2127-2134 (2005).
- Taubner, T., Korobkin, D., Urzhumov, Y., Shvets, G., Hillenbrand, R. Near-Field Microscopy Through a SiC Superlens. Science. 313 (5793), 1595-1595 (2006).
- Jacob, Z., Alekseyev, L. V., Narimanov, E. Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit. Opt Express. 14 (18), 8247-8256 (2006).
- Lee, H., Liu, Z., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit. Opt Express. 15 (24), 15886-15891 (2007).
- Liu, Z., Lee, H., Xiong, Y., Sun, C., Zhang, X. Far-Field Optical Hyperlens Magnifying Sub-Diffraction-Limited Objects. Science. 315 (5819), 1686-1686 (2007).
- Kim, M., Rho, J. Metamaterials and imaging. Nano Converg. 2 (1), 22 (2015).
- Byun, M., et al. Demonstration of nanoimprinted hyperlens array for high-throughput sub-diffraction imaging. Sci Rep. 7, 46314 (2017).
- Shekhar, P., Atkinson, J., Jacob, Z. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications. Nano Converg. 1 (1), 14 (2014).
- Liu, L., et al. Sub-diffraction demagnification imaging lithography by hyperlens with plasmonic reflector layer. RSC Advances. 6 (98), 95973-95978 (2016).
- Sun, J., Xu, T., Litchinitser, N. M. Experimental demonstration of demagnifying hyperlens. Nano Lett. 16 (12), 7905-7909 (2016).
- Kim, M., et al. Deep sub-wavelength nanofocusing of UV-visible light by hyperbolic metamaterials. Sci Rep. 6, 38645 (2016).
- Rho, J., et al. Spherical hyperlens for two-dimensional sub-diffractional imaging at visible frequencies. Nat Commun. 1, 143 (2010).
- Chen, W., et al. Ultra-thin ultra-smooth and low-loss silver films on a germanium wetting layer. Opt Express. 18 (5), 5124-5134 (2010).
