Demonstration av en Hyperlens-integrerat Mikroskop och super-upplösning Imaging
Summary
Användning av en hyperlens har betraktats som en roman super-upplösning imaging teknik på grund av dess fördelar i realtid imaging och dess enkel implementering med konventionella optik. Här presenterar vi ett protokoll som beskriver tillverkning och imaging tillämpningar av en sfärisk hyperlens.
Abstract
Användningen av super-upplösning imaging för att övervinna diffraktionsgränsen av konventionella mikroskopi har väckt intresse för forskare i biologi och nanoteknik. Även om nära-fält skanning mikroskopi och superlenses har förbättrade upplösningen i regionen nära-fält, fortfarande långt-området imaging i realtid en betydande utmaning. Nyligen, den hyperlens, som förstorar och omvandlar flyktig vågor till förökningsmaterial vågor, har vuxit fram som en ny metod för långt-området imaging. Vi rapporterar här, tillverkning av en sfärisk hyperlens består av omväxlande silver (Ag) och Titan oxid (TiO2) tunna lager. Till skillnad från en konventionell cylindrisk hyperlens möjliggör den sfäriska hyperlens tvådimensionell förstoring. Införlivande i konventionella mikroskopi är alltså enkel. Det föreslås ett nytt optiskt system integrerat med hyperlens möjliggör en sub våglängd avbildning ska erhållas i regionen långt-fältet i realtid. I denna studie förklaras den tillverkning och setup avbildningsmetoder i detalj. Detta arbete beskriver också den tillgänglighet och möjligheten av hyperlens samt praktiska tillämpningar av realtid imaging i levande celler, vilket kan leda till en revolution inom biologi och nanoteknik.
Introduction
En önskan att iaktta biomolekyler i levande celler ledde till uppfinningen av mikroskopi och tillkomsten av mikroskopi förökade rotationen av olika områden, såsom biologi, patologi och materialvetenskap, över senaste århundradena. Dock ytterligare befordran av forskning har begränsats av diffraktion, vilket begränsar upplösningen av konventionella Mikroskop till ungefär hälften av våglängd1. Super-upplösning imaging för att övervinna diffraktionsgränsen har därför varit ett intressant forskningsområde under de senaste decennierna.
Som diffraktionsgränsen tillskrivas till förlusten av flyktig vågorna som innehåller sub våglängd information om objekt, har tidiga studier genomförts att hålla flyktig vågor från bleknar bort eller återställa dem2,3. Arbetet med att övervinna diffraktionsgränsen rapporterades först med nära-fält skanning optisk mikroskopi, som samlar in fältet flyktig i nära närhet till objektet innan det är avges2. Dock som skanning regionen hela bilden och rekonstruera det tar lång tid, kan inte det användas till realtid imaging. Även om en annan strategi som bygger på de ”superlens”, som förstärker flyktig vågor, ger möjligheten att i realtid imaging, sub våglängd avbildning kan bara i regionen nära-fält och inte kan nå långt utanför de objekt4, 5 , 6 , 7.
Nyligen, hyperlens har vuxit fram som en ny metod för realtid långt-området optisk imaging8,9,10,11,12. Den hyperlens, som är tillverkad av starkt anisotropiska hyperbolisk metamaterial13, uppvisar en platt hyperbolisk spridning så att den stöder hög rumslig information med samma fashastighet. Dessutom komprimeras gradvis den höga tvärgående wavevector på grund av momentum bevarande lag, som vågen går igenom cylindriska geometri. Denna förstorade information kan således upptäckas av ett konventionellt Mikroskop i regionen långt-fältet. Detta är av särskild betydelse för realtid långt-området imaging, eftersom det inte kräver någon punkt för punkt skanning eller bild återuppbyggnad. Hyperlens kan dessutom användas för andra program än imaging, inklusive nanolithography. Ljus som passerar genom hyperlens i motsatt riktning kommer att inriktas på en sub diffraktion området på grund av den tid-återföring symmetri14,15,16.
Här rapporterar vi om en sfärisk hyperlens som förstorar tvådimensionell information den synliga frekvens. Till skillnad från konventionella cylindriska geometri förstorar den sfäriska hyperlens objekt i två laterala dimensioner, att underlätta praktisk bildhanteringsprogram. Fabrication metod och imaging setup med hyperlens presenteras i detalj för reproduktion av en högkvalitativ hyperlens. En sub våglängd objekt är inskrivna på hyperlens skull bevisar dess super-lösa makt. Det är bekräftat att små funktioner av inskriven objekt förstoras av hyperlens. Således erhålls tydligt löst bilder i regionen långt-fältet i realtid. Denna nya typ av sfäriska hyperlens, med dess enkel integrering med konventionella mikroskopi, ger möjlighet till praktisk bildhanteringsprogram, leder till gryningen av en ny era i biologi, patologi och allmänna nanovetenskap.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tillverkning av en hyperlens innehåller tre viktiga steg: definiera halvrunda geometri i kvarts underlaget genom en våt-etsning process, stapling av metall och dielektrisk multilayer använder ett electron beam avdunstning system och måttsättning i objekt i Cr-skiktet. Det viktigaste steget är andra, eftersom det kan påverka kvaliteten på hyperlens. I tunnfilms-nedfall processen finns det två villkor som kräver särskild vård för Super löst bilden tydlig. Stapling av multilayer conformally är en av de avgör…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds ekonomiskt av Young Investigator programmet (NRF-2015R1C1A1A02036464), Engineering Research Center programmet (NRF-2015R1A5A1037668) och globala Frontier programmet (CAMM-2014M3A6B3063708), M.K., S.S., I.K. erkänna den globala Ph.D. Stipendier (NRF-2017H1A2A1043204, NRF-2017H1A2A1043322, NRF-2016H1A2A1906519) genom National Research Foundation i Korea (NRF) bidraget finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering (MSIP) av sydkoreanska regeringen.
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).
