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科研進展

2021年11月26日
中國科大研制一種基于光學薄膜的平面型顯微成像元件

近日,中國(guo)科(ke)大物(wu)理學(xue)院光電子科(ke)學(xue)與技術安徽省重點實驗室/合(he)(he)肥微(wei)(wei)尺(chi)度(du)物(wu)質科(ke)學(xue)國(guo)家研(yan)究中心張斗國(guo)教授研(yan)究組(zu)提(ti)出(chu)并實現了一(yi)種基于光學(xue)薄膜的(de)(de)平面型顯(xian)微(wei)(wei)成像(xiang)(xiang)元件(jian),用作被測(ce)樣本的(de)(de)載波(bo)片(pian),可在(zai)常規的(de)(de)明場光學(xue)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)上實現暗場顯(xian)微(wei)(wei)成像(xiang)(xiang)和全內(nei)反射成像(xiang)(xiang),而獲取高對比度(du)的(de)(de)光學(xue)顯(xian)微(wei)(wei)圖像(xiang)(xiang)。研(yan)究成果以“Planar photonic chips with tailored angular transmission for high-contrast-imaging devices”為題發表在(zai)綜合(he)(he)性學(xue)術期刊(kan)Nature Communications。

光(guang)(guang)(guang)學顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)是利(li)用(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)學原理,把(ba)人眼不(bu)(bu)能分辨(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)小物體(ti)放(fang)大成像(xiang)(xiang),進而(er)拓寬人類觀(guan)察物質結構的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)間尺度范圍。通(tong)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)是明(ming)(ming)視(shi)場顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)(Brightfield Microscopy),它利(li)用(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)線照明(ming)(ming),樣(yang)本(ben)中各點依(yi)其(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)吸收(shou)的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同在(zai)明(ming)(ming)亮的(de)(de)(de)(de)(de)背景中成像(xiang)(xiang)。但對(dui)于(yu)(yu)(yu)一些未經染色處理的(de)(de)(de)(de)(de)生物標本(ben)或者其(qi)(qi)他(ta)透明(ming)(ming)樣(yang)本(ben),由(you)于(yu)(yu)(yu)對(dui)光(guang)(guang)(guang)線的(de)(de)(de)(de)(de)吸收(shou)很少,因此其(qi)(qi)明(ming)(ming)視(shi)場顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)像(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)比度差(cha),難以觀(guan)測。為了解(jie)決這個問題,科學家們發展出暗視(shi)場顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)(Darkfield Microscopy):它的(de)(de)(de)(de)(de)照明(ming)(ming)光(guang)(guang)(guang)線不(bu)(bu)直(zhi)接(jie)進入成像(xiang)(xiang)物鏡(jing)(jing),只允許(xu)被樣(yang)品反射(she)(she)和衍(yan)射(she)(she)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)線進入物鏡(jing)(jing)。無樣(yang)品時(shi)(shi),視(shi)場暗黑,不(bu)(bu)可能觀(guan)察到(dao)任何物體(ti);有樣(yang)品時(shi)(shi),樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)(de)衍(yan)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)與(yu)散射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)等(deng)在(zai)暗的(de)(de)(de)(de)(de)背景中明(ming)(ming)亮可見,因此其(qi)(qi)成像(xiang)(xiang)對(dui)比度遠(yuan)高于(yu)(yu)(yu)明(ming)(ming)場光(guang)(guang)(guang)學顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing),如圖1a所示。另外一個解(jie)決方案是,利(li)用(yong)(yong)光(guang)(guang)(guang)線全(quan)反射(she)(she)后在(zai)介質另一面(mian)產(chan)生衰失波(又稱表面(mian)波)來照明(ming)(ming)樣(yang)品,無樣(yang)本(ben)時(shi)(shi),衰失波光(guang)(guang)(guang)強在(zai)縱(zong)向呈(cheng)指數衰減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性使得其(qi)(qi)不(bu)(bu)會輻射(she)(she)到(dao)遠(yuan)場,視(shi)場暗黑;有樣(yang)品時(shi)(shi)候,衰失波會被散射(she)(she)或衍(yan)射(she)(she)到(dao)遠(yuan)場,從而(er)在(zai)暗背景下形成物體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)明(ming)(ming)亮像(xiang)(xiang),該顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)被稱為全(quan)內(nei)反射(she)(she)顯(xian)(xian)(xian)微(wei)(wei)鏡(jing)(jing)(Total internal reflection microscopy, TIRM),同樣(yang)可以提高成像(xiang)(xiang)對(dui)比度。衰失波光(guang)(guang)(guang)強在(zai)縱(zong)向呈(cheng)指數衰減(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性,只有極靠近全(quan)反射(she)(she)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)區域會被照明(ming)(ming),大大降低了背景光(guang)(guang)(guang)噪聲干擾觀(guan)測標本(ben),故此項技術廣泛應(ying)用(yong)(yong)于(yu)(yu)(yu)物質表面(mian)或界面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)態觀(guan)察,如圖1b所示。

但這兩種顯微鏡(jing)(jing)(jing)都需(xu)(xu)要(yao)復雜的光學元(yuan)件(jian),如暗場顯微鏡(jing)(jing)(jing)需(xu)(xu)要(yao)一個特殊的聚光鏡(jing)(jing)(jing)來實現照明光以大角度(du)入射到樣品(pin);全內(nei)反射顯微鏡(jing)(jing)(jing)需(xu)(xu)要(yao)高折射率棱鏡(jing)(jing)(jing)或高數值孔徑顯微物鏡(jing)(jing)(jing)來產生光學表面(mian)波;這些元(yuan)件(jian)體積較大,不易(yi)集(ji)成(cheng)(cheng);同時成(cheng)(cheng)像效果嚴(yan)格依賴于(yu)光路(lu)的精確調節,增加了(le)其操作復雜度(du)。

圖1:傳統(tong)暗(an)場照(zhao)明(a)與全內反射照(zhao)明(b)光(guang)學顯微(wei)鏡,基(ji)于光(guang)學薄膜(mo)結構的顯微(wei)成像照(zhao)明元件(jian)(c)

本論文提出的(de)(de)基于光(guang)(guang)學薄膜的(de)(de)平面型顯微(wei)成像元件可(ke)有(you)效彌補這些不足。如圖1c所示(shi)為該元件結構(gou)示(shi)意圖,主(zhu)要包含三部分:中間(jian)部分是摻雜有(you)高(gao)折(zhe)射(she)率(lv)散射(she)納米(mi)顆粒的(de)(de)聚合物薄膜,利用(yong)納米(mi)顆粒的(de)(de)無序(xu)散射(she)來拓展入(ru)射(she)光(guang)(guang)束的(de)(de)傳播角(jiao)度(du)范圍(wei);上部和下部是由高(gao)低(di)折(zhe)射(she)率(lv)介(jie)質周期性排布形(xing)成的(de)(de)光(guang)(guang)學薄膜,利用(yong)其來調(diao)控出射(she)光(guang)(guang)束的(de)(de)角(jiao)度(du)范圍(wei)。通(tong)過光(guang)(guang)子(zi)帶隙設計,下部光(guang)(guang)學薄膜只允(yun)許垂直(zhi)入(ru)射(she)的(de)(de)光(guang)(guang)束透(tou)(tou)過,其他角(jiao)度(du)光(guang)(guang)束的(de)(de)都(dou)(dou)被抑制;上部光(guang)(guang)學薄膜在750 nm波長入(ru)射(she)下,只有(you)大角(jiao)度(du)的(de)(de)光(guang)(guang)束才(cai)能透(tou)(tou)射(she);在640 nm波長下任何(he)角(jiao)度(du)的(de)(de)光(guang)(guang)都(dou)(dou)不能透(tou)(tou)射(she),只能產(chan)生全內反射(she)。

因此,在(zai)正入射(she)下,經(jing)過該光(guang)學(xue)(xue)(xue)薄膜器(qi)件(jian)的(de)光(guang)束出射(she)角度(du)(du)要么是大(da)于一(yi)定(ding)的(de)角度(du)(du)(對應(ying)750 nm波(bo)長),要么是在(zai)薄膜表面產生光(guang)學(xue)(xue)(xue)表面波(bo)(對應(ying)640 nm 波(bo)長)。利用一(yi)塊光(guang)學(xue)(xue)(xue)薄膜器(qi)件(jian),在(zai)常規的(de)明場(chang)顯微(wei)鏡(jing)上(圖2a),可同時實現暗場(chang)顯微(wei)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)與全內反射(she)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)。成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)效果如(ru)圖2b,2c所示(shi),相對于明場(chang)光(guang)學(xue)(xue)(xue)顯微(wei)鏡(jing)像(xiang)(xiang)(xiang),其成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)對比(bi)度(du)(du)有大(da)幅(fu)度(du)(du)的(de)提(ti)升。該種方(fang)法不僅適用于空氣中(zhong)的(de)樣(yang)品,也適用于液體(ti)環(huan)境(jing)中(zhong)生物活細胞的(de)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang),如(ru)圖2d所示(shi)。

圖2、基于光(guang)學薄膜(mo)結構(gou)的全內反射照明與暗場照明顯微成像

進(jin)一步實(shi)驗結(jie)果表明,該方(fang)法不僅可以(yi)實(shi)現介質(zhi)薄膜上的表面(mian)波,也可用(yong)于(yu)(yu)激發(fa)目前引起廣(guang)泛興趣(qu)的金屬薄膜表面(mian)等(deng)(deng)離(li)激元(yuan)(yuan),如圖(tu)3所示(shi),利用(yong)其(qi)作為照明光(guang)源,實(shi)現了一種新的表面(mian)等(deng)(deng)離(li)激元(yuan)(yuan)共振(zhen)顯微鏡架構,相對于(yu)(yu)目前廣(guang)泛使(shi)用(yong)的基于(yu)(yu)油浸物鏡的表面(mian)等(deng)(deng)離(li)激元(yuan)(yuan)共振(zhen)顯微鏡,基于(yu)(yu)光(guang)學薄膜器件的表面(mian)等(deng)(deng)離(li)激元(yuan)(yuan)顯微鏡結(jie)構簡(jian)單,成本(ben)低、操(cao)作便(bian)利,易(yi)于(yu)(yu)集成。

上述實驗結(jie)果表明,無需(xu)改變現有顯微鏡(jing)的主體光路架(jia)構,通過(guo)設(she)計、制作合(he)適(shi)的顯微鏡(jing)載玻片,就(jiu)可以有效提(ti)升其(qi)成像(xiang)對比度,拓展其(qi)成像(xiang)功能。

圖(tu)3、利用光(guang)學(xue)薄膜結構激發表面等離激元實(shi)現新型表面波光(guang)學(xue)顯微(wei)鏡

本校博士生蒯雁同學為(wei)該論文(wen)第(di)一作者,張斗國教授為(wei)通訊作者。上述研(yan)(yan)究(jiu)工作得(de)到(dao)了國家自然科學基金(jin)委、安(an)徽(hui)省(sheng)科技(ji)廳(ting)、合肥市科技(ji)局、唐(tang)仲英基金(jin)會(hui)等項目(mu)經費(fei)的支持。相關樣品制作工藝得(de)到(dao)了愛游(you)戲(xi)app微納研(yan)(yan)究(jiu)與制造中心的儀(yi)器支持與技(ji)術(shu)支撐(cheng)。

論文鏈(lian)接:


(安徽省(sheng)光(guang)電子科(ke)學與技(ji)術(shu)重點實(shi)驗(yan)室、物理學院、合(he)肥微尺度物質科(ke)學國家研究中心、科(ke)研部)

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