Demonstratie van een Hyperlens-geïntegreerd Microscoop en super resolutie beeldvorming
Summary
Het gebruik van een hyperlens werd beschouwd als een nieuwe super resolutie beeldvormende techniek te wijten aan haar voordelen in real-time beeldvorming en haar eenvoudige implementatie met conventionele optica. Hier presenteren we een protocol met een beschrijving van de fabricage en beeldtoepassingen van een sferische hyperlens.
Abstract
Het gebruik van super resolutie imaging om te overwinnen de limiet van de diffractie van conventionele microscopie heeft het belang van onderzoekers in de biologie en nanotechnologie aangetrokken. Hoewel in de buurt van-veld scanning microscopie en superlenses zijn de resolutie in de buurt van het veld regio verbeterd, blijft ver-veld imaging in real-time een aanzienlijke uitdaging. Onlangs, de hyperlens, die vergroot en zet vluchtig golven in teeltmateriaal golven, heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor de beeldvorming van de ver-veld. Wij rapporteren hier, de fabricage van een sferische hyperlens, samengesteld uit afwisselende zilver (Ag) en titanium-oxide (TiO2) dunne lagen. In tegenstelling tot een conventionele cilindrische hyperlens voorziet de sferische hyperlens twee-dimensionale vergroting. Opneming van de conventionele microscopie is dus eenvoudig. Een nieuwe optische systeem is geïntegreerd in de hyperlens wordt voorgesteld, waardoor een afbeelding met een sub golflengte worden verkregen in de ver-veld regio in real-time. In deze studie, worden de fabricage en imaging setup methoden uiteengezet in detail. Dit werk beschrijft ook de toegankelijkheid en de mogelijkheid van de hyperlens, alsmede praktische toepassingen voor real-time imaging in levende cellen, die tot een revolutie in de biologie en nanotechnologie leiden kan.
Introduction
Een verlangen naar het observeren van biomoleculen in levende cellen leidde tot de uitvinding van microscopie, en de komst van microscopie doorgegeven de revolutie van verschillende gebieden, zoals biologie, pathologie en materiaalkunde, over de laatste paar eeuwen. Verdere vooruitgang van het onderzoek heeft echter zijn beperkt door diffractie, ter beperking van de resolutie van conventionele microscopen tot ongeveer de helft van de golflengte1. Daarom is super resolutie imaging om te overwinnen de diffractie-limiet een interessante onderzoeksruimte geweest in de afgelopen decennia.
Zoals de diffractie-limiet wordt toegeschreven aan het verlies van de vluchtig golven die sub golflengte informatie over objecten bevatten, zijn vroege studies uitgevoerd om te voorkomen dat vluchtig golven vervagen of om ze te herstellen2,3. De inspanning om te overwinnen de diffractie-limiet was voor het eerst gemeld met scanning optische microscopie, die het vluchtig veld in directe nabijheid van het object verzamelt voordat het gedissipeerde2in de buurt van veld. Echter, zoals het scannen van de afbeelding van de hele regio en reconstructie van het duurt een lange tijd, het kan niet worden toegepast op real-time imaging. Hoewel een andere aanpak gebaseerd op de “superlens,” die vluchtig golven versterkt, de mogelijkheid voor real-time imaging biedt, beeldvorming van de sub golflengte is alleen geschikt in de regio in de buurt van-veld en niet bereiken ver buiten de objecten4, 5 , 6 , 7.
Onlangs, de hyperlens heeft ontpopt als een nieuwe benadering voor real-time ver-veld optische beeldvorming8,9,10,11,12. De hyperlens, die uit zeer anisotrope hyperbolische metamaterials13 bestaat, vertoont een plat hyperbolische dispersie zodat het ondersteunt hoge ruimtelijke informatie met dezelfde fase snelheid. Bovendien, als gevolg van de behoudswet van de dynamiek, de hoge dwarse wavevector is geleidelijk gecomprimeerd wanneer de Golf door de cilindrische geometrie gaat. Deze vergrote informatie kan dus worden gedetecteerd door een conventionele Microscoop regio ver-veld. Dit is van bijzonder belang aan real-time ver-veld imaging, zoals op niet ieder punt-voor-punt scannen of afbeelding wederopbouw vergen doet. Bovendien kan de hyperlens worden gebruikt voor andere toepassingen dan imaging, met inbegrip van nanolithography. Het licht dat via de hyperlens in de omgekeerde richting gaat zal uitgaan naar een sub diffractie-gebied als gevolg van de tijd-omkering symmetrie14,15,16.
Wij rapporteren hier, over een sferische hyperlens dat twee-dimensionale informatie vindt u op de zichtbare frequentie vergroot. In tegenstelling tot conventionele cilindrische meetkunde vergroot de sferische hyperlens objecten in de twee zijdelingse dimensies, praktische weergavetoepassingen vergemakkelijken. De fabricage methode en imaging setup met de hyperlens worden gepresenteerd in detail voor de reproductie van een kwalitatief hoogwaardige hyperlens. Een object sub golflengte is aangeduid op de hyperlens omwille van de bewijzen van zijn macht van super-oplossing. Het is bevestigd dat kleine elementen van ingeschreven objecten worden vergroot door de hyperlens. Aldus, duidelijk opgelost afbeeldingen zijn verkregen in de ver-veld regio in real-time. Deze nieuwe vorm van sferische hyperlens, met het gemak van integratie met conventionele microscopie, biedt de mogelijkheid van praktische beeldbewerkingstoepassingen, wat leidt tot het begin van een nieuw tijdperk in de biologie, pathologie en algemene nanoscience.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fabricage van een hyperlens omvat drie belangrijke stappen: definiëren hemisferische geometrie in het substraat kwarts via een proces van natte-etsen, stapelen de metaal- en diëlektrische multilayer beschilderen met behulp van een electron beam verdamping systeem, en de object op de Cr-laag. De belangrijkste stap is de tweede, omdat het aanzienlijk de kwaliteit van de hyperlens beïnvloeden kan. In het proces van dunne-film depositie zijn er twee voorwaarden waarvoor speciale zorg voor een duidelijk beeld van de Sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt financieel ondersteund door de jonge onderzoeker programma (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center programma’s (NRF-2015R1A5A1037668) en Global Frontier (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., i. k. erkennen de globale Ph.D. Beurzen (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) door middel van de subsidie van de National Research Foundation van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning (MSIP) van de Koreaanse overheid.
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 |
References
- 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).
