Demonstration af en Hyperlens-integreret mikroskop og super-resolution Imaging
Summary
Brug af en hyperlens er blevet betragtet som en roman super-resolution imaging teknik på grund af dens fordele i real-time imaging og enkel gennemførelse med konventionelle optik. Vi præsenterer her, en protokol, der beskriver fabrikation og imaging anvendelser af en sfærisk hyperlens.
Abstract
Brugen af super-opløsning imaging for at overvinde diffraktion grænsen for konventionel mikroskopi har tiltrukket interesse af forskere i biologi og nanoteknologi. Selvom nær felt scanning mikroskopi og superlenses have forbedret opløsning i regionen nær felt, stadig langt-ager imaging i real-time en betydelig udfordring. For nylig, den hyperlens, som forstørrer og konverterer flygtige bølger til formerings bølger, fremstod som en ny tilgang til langt-ager billeddannelse. Her rapporterer vi fabrikation af en sfærisk hyperlens består af skiftevis sølv (Ag) og titanium oxid (TiO2) tynd lag. I modsætning til en konventionel cylindriske hyperlens, den sfæriske hyperlens giver mulighed for to-dimensionelle forstørrelse. Således er iblanding i konventionelle mikroskopi ligetil. Et nyt optisk system integreret med hyperlens foreslås, giver mulighed for en sub bølgelængde billede fremstilles i regionen langt-ager i realtid. I denne undersøgelse, er fabrikation og billedbehandling opsætningsmetoder forklaret i detaljer. Dette arbejde beskriver også tilgængelighed og muligheden for hyperlens, såvel som praktiske anvendelser af real-time imaging i levende celler, hvilket kan føre til en revolution i biologi og nanoteknologi.
Introduction
Et ønske om at observere biomolekyler i levende celler førte til opfindelsen af mikroskopi, og fremkomsten af mikroskopi formeret revolution i forskellige områder, som biologi, patologi og materiallære, over sidste par århundreder. Yderligere fremskridt inden for forskning har imidlertid været begrænset af diffraktion, som begrænser opløsning af konventionelle mikroskoper til omkring halvdelen af bølgelængde1. Super-opløsning imaging for at overvinde diffraktion grænsen har derfor været et interessant område for forskning i de seneste årtier.
Som diffraktion grænse er tilskrevet tab af flygtige bølger, der indeholder sub bølgelængde oplysninger om objekter, er tidlige undersøgelser blevet gennemført at holde flygtige bølger fra fading væk eller at inddrive dem2,3. Bestræbelserne på at overvinde diffraktion grænsen blev først rapporteret med nær-felt scanning Optisk mikroskopi, som indsamler feltet flygtige tæt på objektet, før det er spredes2. Men som scanning regionen hele billedet og rekonstruere det tager lang tid, det kan ikke anvendes til real-time imaging. Selv om en anden tilgang baseret på “superlens,” som forstærker flygtige bølger, giver mulighed for real-time imaging, sub bølgelængde imaging er kun i stand til i regionen nær-felt og kan ikke nå langt ud over objekter4, 5 , 6 , 7.
For nylig, hyperlens er opstået som en ny tilgang til real-time langt-ager optiske billeddannelse8,9,10,11,12. Hyperlens, som er lavet af stærkt anisotrope hyperbolske metamaterialer13, udstiller en flad hyperbolske spredning, således at den understøtter høj geografisk information med den samme fase hastighed. Derudover komprimeret den høje tværgående wavevector gradvist på grund af momentum bevarelse lov, da bølgen går igennem den cylindriske geometri. Forstørret oplysningerne kan dermed påvises ved en konventionel mikroskop i regionen langt-ager. Dette er af særlig betydning for real-time langt-ager billedbehandling, da det ikke kræver nogen punkt for punkt scanning eller billede genopbygning. Desuden, hyperlens kan bruges til andre programmer end imaging, herunder nanolithography. Lys, der passerer gennem hyperlens i den modsatte retning vil være fokuseret på en sub diffraktion område på grund af tid-tilbageførsel symmetri14,15,16.
Her, rapport vi om en sfærisk hyperlens, der forstørrer to-dimensionelle oplysninger med synlige frekvens. I modsætning til konventionelle cylindrisk geometri forstørrer den sfæriske hyperlens objekter i to laterale dimensioner, lette praktiske billedbehandlingsprogrammer. Fabrikation metode og billedbehandling setup med hyperlens præsenteres i detaljer for gengivelse af en høj kvalitet hyperlens. En sub bølgelængde objekt er indskrevet på hyperlens for at bevise sin løsning af super power. Det bekræftes, at små features indskrevet objekter er forstørret af hyperlens. Således fremstilles klart løst billeder i regionen langt-ager i realtid. Denne nye type af sfæriske hyperlens, med dens nemme integration med konventionelle mikroskopi, giver mulighed for praktisk billedbehandlingsprogrammer, fører til begyndelsen af en ny æra i biologi, patologi og generelle nanovidenskab.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabrikation af en hyperlens omfatter tre hovedtrin: definere halvkugleformet geometri i kvarts substrat gennem en våd-ætsning, stabling metal og dielektriske flerlags ved hjælp af en elektron beam fordampning system, og indskrive den objektet på laget Cr. Det vigtigste skridt er andet, da det har væsentlig indflydelse på kvaliteten af hyperlens. I tynd-hinde deposition proces er der to forhold, der kræver særlig pleje for en klart super-løst billede. Stabling af flerlags conformally er et af de afgørende spørg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er finansielt støttet af Young Investigator program (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center program (NRF-2015R1A5A1037668) og Global grænse program (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. anerkender den globale Ph.D. Stipendier (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) gennem de nationale Research Foundation i Korea (NRF) tilskud finansieret af Ministeriet for videnskab, IKT og fremtidige planlægning (MSIP) af koreanske regering.
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).
