Demonstrasjon av en Hyperlens-integrert mikroskop og super-oppløsning Imaging
Summary
Bruk av en hyperlens har vært ansett som en roman super-oppløsning tenkelig teknikk på grunn av sine fordeler i sanntid bildebehandling og enkle implementeringen med konvensjonelle optikk. Her presenterer vi en protokoll som beskriver fabrikasjon og bildebehandlingsprogrammer av en sfærisk hyperlens.
Abstract
Bruk av super-oppløsning for å overvinne Diffraksjon grensen på konvensjonelle mikroskopi har fått oppmerksomhet av forskere i biologi og nanoteknologi. Selv om feltnære skanning mikroskopi og superlenses har forbedret oppløsningen i regionen nær-feltet, fortsatt langt-feltet imaging i sanntid en betydelig utfordring. Nylig hyperlens, som forstørrer og konverterer evanescent bølger til spre bølger, har dukket opp som en roman tilnærming langt-feltet bildebehandling. Her rapporterer vi fabrikasjon av en sfærisk hyperlens består av vekslende sølv (Ag) og Titan oksid (TiO2) tynne lag. I motsetning til en vanlig sylindrisk hyperlens gir den sfæriske hyperlens todimensjonal forstørrelse. Dermed er inkorporering konvensjonelle mikroskopi grei. En ny optisk system integrert med hyperlens er foreslått, slik at en sub bølgelengde bilde innhentes i regionen langt-feltet i sanntid. I denne studien er fabrikasjon og tenkelig oppsettmetoder forklart i detalj. Dette arbeidet også beskriver tilgjengeligheten og muligheten for hyperlens og praktiske anvendelser av sanntids imaging i levende celler, som kan føre til en revolusjon i biologi og nanoteknologi.
Introduction
Et ønske om å observere biomolecules i levende celler førte til oppfinnelsen av mikroskopi, og bruk av mikroskopi overført revolusjonen i ulike felt, som biologi, patologi og materielle vitenskap, over siste århundrene. Men videre utvikling av forskning er begrenset av Diffraksjon, som begrenser oppløsningen av konvensjonell mikroskop til rundt halvparten av bølgelengde1. Super-oppløsning for å overvinne Diffraksjon grensen har derfor vært en interessant forskningsområde i de siste tiårene.
Som Diffraksjon grensen er tillagt tap av evanescent bølger som inneholder sub bølgelengde informasjon om objekter, har studier vært gjennomført å holde evanescent bølger fra filtrert bort eller gjenopprette dem2,3. Arbeidet med å overvinne Diffraksjon grensen ble først rapportert med nær-feltet skanning optisk mikroskopi, som samler evanescent feltet i nærheten objektet før det er utsvevende2. Men som skanner hele bildet regionen og rekonstruere det tar lang tid, kan den brukes sanntid bildebehandling. Selv om en annen tilnærming basert på “superlens,” som forsterker evanescent bølger, gir mulighet for sanntids bildebehandling, sub bølgelengde imaging er bare i stand til i regionen nær-feltet og kan ikke komme langt utover objekter4, 5 , 6 , 7.
Hyperlens har nylig dukket opp som en ny tilnærming til sanntid langt-feltet optisk tenkelig8,9,10,11,12. Hyperlens, som er laget av svært Anisotrop hyperbolsk metamaterials13, viser en flat hyperbolsk dispersjon slik at den støtter høy romlig informasjon med samme fase hastighet. Videre, på grunn av momentum bevaring loven, høy tverrgående wavevector er gradvis komprimert som bølgen går gjennom sylindriske geometrien. Forstørret informasjonen kan dermed oppdages av konvensjonell mikroskop i regionen langt-feltet. Dette er spesielt viktig å sanntid langt-feltet bildebehandling, som ikke krever noen punkt-til-punkt skanning eller bildet gjenoppbygging. Hyperlens kan dessuten brukes for programmer enn avbildning, inkludert nanolithography. Lyset som passerer gjennom hyperlens i motsatt retning vil bli fokusert på en sub Diffraksjon området på grunn av tidspunktet for opprettelsen reversering symmetri14,15,16.
Her rapportere vi om en sfærisk hyperlens som forstørrer todimensjonal informasjon synlig frekvensen. I motsetning til konvensjonelle sylindriske geometri forstørrer de sfærisk hyperlens objekter i to laterale dimensjoner, tilrettelegge praktisk tenkelig søknadene. Fabrikasjon metoden og tenkelig oppsett med hyperlens presenteres i detalj for reproduksjon av en høykvalitets hyperlens. En sub bølgelengde objektet er innskrevet på hyperlens for å bevise sin super-løse makt. Det er bekreftet at små funksjoner innskrevet objekter blir forstørret av hyperlens. Dermed er tydelig løst bildene oppnådd i regionen langt-feltet i sanntid. Denne nye typen sfærisk hyperlens, med dens enkel integrering med konvensjonelle mikroskopi, gir mulighet for praktisk grafikkprogrammer, fører til begynnelsen av en ny æra i biologi, patologi og generell nanovitenskap.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabrikasjon av en hyperlens inkluderer tre hovedtrinn: definere hemisfæriske geometri i kvarts underlaget gjennom en våt-etsing, stabling metall og dielektrisk flerlags bruker et elektron strålen fordampning system, og inscribing den objektet på Cr laget. Viktigste er andre, siden det kan påvirke kvaliteten på hyperlens. I tynn-film deponering prosessen er det bestemmelser som krever spesiell omsorg for et klart super løst bilde. Stable multilayer conformally er en av de avgjørende spørsmålene, som ikke-conform…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er økonomisk støttet av unge etterforsker programmet (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center program (NRF-2015R1A5A1037668) og Global Frontier programmet (CAMM-2014M3A6B3063708), MK, S.S., dermed erkjenner den globale Ph.D. Stipend (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) stipendet finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtiden planlegging (MSIP) av koreanske regjeringen.
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).
