הפגנה של מיקרוסקופ משולבת Hyperlens וכן הדמיה ברזולוציה סופר
Summary
יש השימוש hyperlens נחשב טכניקה דימות סופר-ברזולוציה הרומן בשל יתרונותיה הדמיה בזמן אמת ואת יישומה פשוטה עם אופטיקה קונבנציונלי. כאן, אנו מציגים פרוטוקול המתאר הזיוף והדמיה של hyperlens כדורית היישומים.
Abstract
השימוש של סופר רזולוציה הדמיה כדי להתגבר על מגבלת עקיפה של מיקרוסקופ רגיל משכה העניין של החוקרים בביולוגיה, ננו-טכנולוגיה. למרות מיקרוסקופיית שדה-סריקה, superlenses יש שיפור הרזולוציה באזור ליד שדה, שדה רחוק הדמיה בזמן אמת נשאר אתגר משמעותי. לאחרונה, hyperlens, אשר מגדיל או ממירה הפצת גלים גלים evanescent, התפתחה הגישה הרומן של שדה רחוק הדמיה. כאן, אנו מדווחים על הזיוף של hyperlens כדורית המורכבת לסירוגין כסף (Ag), טיטניום אוקסיד (TiO2) שכבות דק. בניגוד hyperlens גלילי קונבנציונלי, hyperlens כדורית מאפשר הגדלה דו-ממדית. לפיכך, שהשתלבה מיקרוסקופ המקובלת היא פשוטה. מערכת אופטית חדשה משולבת עם hyperlens מוצע, המאפשר תמונת אורך גל תת ואפשר להשיג באזור שדה רחוק בזמן אמת. במחקר זה, ייצור ושיטות הדמיה ההתקנה מוסברים בפירוט. עבודה זו מתארת גם את הנגישות ואת האפשרות hyperlens, כמו גם יישומים מעשיים בזמן אמת הדמיה בתאים חיים, אשר יכול להוביל מהפכה בתחום הביולוגיה, ננו-טכנולוגיה.
Introduction
רצון להתבונן מולקולות בתאים החיים הובילו המצאת מיקרוסקופ, כניסתו של מיקרוסקופיית מופצות המהפכה של שדות שונים, כגון ביולוגיה, פתולוגיה, חומר מדעי, על מאות השנים האחרונות. אולם, נוסף לקידום המחקר הוגבלה על ידי עקיפה, אשר מגביל את הרזולוציה של מיקרוסקופים המקובלת עד כ חצי אורך גל1. לכן, סופר רזולוציה הדמיה כדי להתגבר על המגבלה עקיפה כבר שטח מחקר מעניין בעשורים האחרונים.
כמו המגבלה עקיפה מיוחס האובדן של הגלים evanescent המכילים מידע גל תת על אובייקטים, לימודי נערכו כדי למנוע גלים evanescent נמוג או כדי לשחזר אותם2,3. המאמץ כדי להתגבר על המגבלה עקיפה דווחה לראשונה עם שדה-מיקרוסקופ אופטי, אשר אוספת את השדה evanescent בסמיכות לאובייקט לפני זה התפוגג2. עם זאת, ככל סריקה אזור התמונה כולה של שיחזור זה לוקח הרבה זמן, זה לא ניתן להחיל על הדמיה בזמן אמת. למרות גישה אחרת המבוססת על “superlens,” אשר מגביר את גלי evanescent, מספק את האפשרות של הדמיה בזמן אמת, גל תת הדמיה רק הוא מסוגל, באזור שדה-, לא יכול להגיע הרבה מעבר אובייקטים4, 5 , 6 , 7.
לאחרונה, hyperlens התפתחה גישה מוזרה בזמן אמת שדה רחוק אופטי הדמיה8,9,10,11,12. Hyperlens, אשר מורכב מאוד אניסוטרופי metamaterials היפרבולי13, תערוכות פיזור שטוח היפרבולי כך שהוא תומך מידע מרחבי גבוהים עם מהירות פאזה באותו. יתר על כן, בשל חוק שימור תנע, wavevector רוחבי גבוהה נדחס בהדרגה כאשר הגל עובר דרך הצורה הגיאומטרית גלילי. מידע זה מוגדל ובכך ניתן להבחין באמצעות מיקרוסקופ קונבנציונאלי באזור הרחוק-שדה. זה חשוב במיוחד הדמיה שדה רחוק בזמן אמת, כפי שהוא אינו מצריך שיחזור סריקה או תמונה-מדוקדק. יתר על כן, hyperlens יכול לשמש עבור יישומים נוספים הדמיה, כולל ננוליתוגרפיה. האור העובר דרך hyperlens בכיוון ההפוך ממוקד על גבי אזור תת עקיפה עקב זמן-היפוך סימטריה15,14,, או16.
כאן, אנו מדווחים על hyperlens כדורית שמגדילה את מימדי מידע בתדר גלוי. בניגוד גיאומטריה גלילי קונבנציונלי, מגדילה hyperlens כדורית אובייקטים בשני מימדים לרוחב, הקלה על מעשי יישומי הדמיה. שיטת ייצור וההתקנה הדמיה עם hyperlens מוצגים בפירוט רבייה של hyperlens באיכות גבוהה. עצם תת אורך הגל הוא כתוב על hyperlens בשביל להוכיח את כוחו לפתרון סופר. הוא אישר כי תכונות קטנות של אובייקטים חקוקות הם מוגדל על ידי hyperlens. לפיכך, תמונות בבירור נפתרה מתקבלים באזור שדה רחוק בזמן אמת. זה סוג חדש של כדורי hyperlens, עם הקלות של שילוב עם מיקרוסקופ רגיל, מספק את האפשרות של מעשי יישומי הדמיה, המוביל אל השחר של עידן חדש ב ביולוגיה, פתולוגיה, הננו כללי.
Protocol
Representative Results
Discussion
הזיוף של hyperlens כולל שלושה שלבים עיקריים: הגדרת הגיאומטריה המיספרי לתוך המצע קוורץ באמצעות תהליך רטוב-איכול, לערום את multilayer מתכת, מבודד באמצעות מערכת אידוי של אלומת אלקטרונים, חריטה אובייקט בשכבה Cr. הצעד החשוב ביותר הוא השני, מאז זה יכול להשפיע באופן משמעותי על איכות hyperlens. בתהליך דפוזיציה ס?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת כלכלית תוכנית חוקר צעיר (ה-NRF-2015R1C1A1A02036464), המרכז לחקר הנדסה התוכנית (ה-NRF-2015R1A5A1037668) ותוכנית האלקטרונית העולמית (CAMM-2014M3A6B3063708), I.K. ונפלט, אס, המכירים את Ph.d. גלובל מלגות (ה-NRF-2017H1A2A1043204, ה-NRF-2017H1A2A1043322, ה-NRF-2016H1A2A1906519) באמצעות המענק הלאומי מחקר קרן של קוריאה (NRF) ממומן על ידי משרד המדע, תקשוב העתיד תכנון (MSIP) של ממשלת קוריאה.
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).
