專利名稱：一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位相型納米物體表面等離子超衍射分辨成像的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，用于位相型納米物體的成像對(duì)比度增強(qiáng)，以及用于生物醫(yī)學(xué)和納米科學(xué)成像。
背景技術(shù)：
隨著人們對(duì)于納米科學(xué)和生命科學(xué)的認(rèn)識(shí)逐漸深入，也對(duì)實(shí)現(xiàn)納米尺度的光學(xué)觀測(cè)提出了更高的要求。傳統(tǒng)相襯技術(shù)通過(guò)空間濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物樣品中透明物體的顯微觀測(cè)，然而傳統(tǒng)相襯顯微技術(shù)由于衍射受限，它不在適用于衍射極限以下的位相型物體的顯微分辨。雖然熒光顯微和受激輻射熒光技術(shù)能夠大幅度提高光學(xué)顯微的分辨力，但是分子生物樣品必須進(jìn)行熒光標(biāo)記。實(shí)現(xiàn)生物樣本無(wú)污染的高分辨力成像顯微技術(shù)成為當(dāng)今的重要難題。等離子體透鏡(Superlens和Hyperlens)由于具有放大倏逝信號(hào)的能力從而能夠?qū)崿F(xiàn)超衍射極限光學(xué)分辨。然而，等離子體透鏡的納米物體通常是振幅型物體，掩膜上的開(kāi) 縫區(qū)域代表物體大小。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)顯微成像，生物樣本層中的待測(cè)物體的空間輪廓未知并且與周圍環(huán)境層存在微小折射率差異。然而，等離子體透鏡對(duì)于位相型納米物體的成像對(duì)比度不高，這主要是由于照明光源沒(méi)有被有效的抑制而傳播到像面干擾成像，此外，代表物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)的倏逝波也沒(méi)有被足夠增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服等離子體透鏡對(duì)位相型物體成像對(duì)比度低的缺點(diǎn)，提出一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，利用雙層納米金屬薄膜包裹生物樣本層的等離子體超衍射成像器件，該等離子體超衍射成像器件能夠有效抑制背景透射照明光對(duì)位相型納米物體近場(chǎng)成像的影響，提高位相型透明物體的近場(chǎng)成像對(duì)比度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，照明光從透明載玻片底部垂直入射，位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件能夠增強(qiáng)生物樣本層的位相型納米物體的散射倏逝場(chǎng)，并且能夠有效抑制背景透射照明光對(duì)位相型納米物體近場(chǎng)成像的影響，其特征在于步驟如下步驟(I)、選擇照明光的工作波長(zhǎng)λ，根據(jù)其波長(zhǎng)選擇可透光的載玻片材料；步驟(2)、照明光的偏振模式要求選擇線偏振、圓偏振或自然偏振；步驟(3)、金屬薄膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、鋁或銅，其介電常數(shù)為ε m ；步驟(4)、根據(jù)照明光波長(zhǎng)選擇介電常數(shù)匹配的金屬膜和生物樣本層材料，生物樣本層材料介電常數(shù)為ε j ；步驟(5)、利用納米加工技術(shù)首先在載玻片上蒸鍍厚度dm的金屬膜；步驟(6)、固體膜層或者液體膜層的生物樣本層涂敷或者滴定在蒸鍍厚度Clm的金屬膜上，生物樣本層的厚度為di;
步驟(7)、利用納米加工技術(shù)緊接著在生物樣本層上蒸鍍厚度dm的金屬膜覆蓋層；步驟(8)、位相型納米物體的成像記錄方式選擇近場(chǎng)掃描探針或者光記錄材料。所述步驟(I)中的可透光的載玻片為硅或二氧化硅。所述步驟(I)中的照明光的工作波長(zhǎng)365納米。所述步驟(3)中的金屬膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬銀，介電常數(shù)εm=-2. 4012+0. 2488i。 所述步驟(4)中的位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件要求雙層金屬膜的介電常數(shù)επ和生物樣本層的介電常數(shù)Si對(duì)于工作波長(zhǎng)λ時(shí)滿足介電常數(shù)匹配
(ε i _ ε m)。所述步驟(5)中的金屬膜的厚度dm要求10納米到60納米。所述步驟(6)中的生物樣本層的厚度Cli要求10納米到100納米。所述步驟(8)中的位相型納米物體的成像記錄方式要求近場(chǎng)掃描探針或者光記錄材料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是(I)、本發(fā)明結(jié)合表面等離子體增強(qiáng)倏逝波和掃描近場(chǎng)光學(xué)探針?biāo)鸭鼒?chǎng)光學(xué)信號(hào)的能力，設(shè)計(jì)出一種用于位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件，該表面等離子體超分辨成像器件可以實(shí)現(xiàn)位相型納米物體的近場(chǎng)超分辨；(2)、本發(fā)明相對(duì)于等離子體透鏡用于位相型物體的近場(chǎng)成像，該表面等離子體超分辨成像器件能夠大幅度提高位相型物體的近場(chǎng)成像對(duì)比度；(3)、本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它能夠用于任意大小物體的成像對(duì)比度增強(qiáng)；該表面等離子體超分辨成像器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，避免對(duì)生物樣本層進(jìn)行熒光標(biāo)記從而污染生物樣本層，該發(fā)明在納米科學(xué)，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例所設(shè)計(jì)的一種位相型納米物體表面等離子體超分辨近場(chǎng)記錄裝置的剖面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例所設(shè)計(jì)的一種位相型表面等離子體超分辨光記錄方式的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例所設(shè)計(jì)的一種位相型納米物體表面等離子體超分辨對(duì)于位相型納米線的近場(chǎng)光強(qiáng)分布；圖4為本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)所的圖(3)中虛線所示光強(qiáng)分布；其中圖I中I為選擇工作波長(zhǎng)下透明的載玻片，2和4均為蒸鍍納米厚度的金屬薄膜，3為待測(cè)定的生物樣本層，5為位相型納米物體，7為掃描探針的光纖材料，通常為二氧化硅，也可以是空心探針，6為蒸鍍?cè)趻呙杼结樀膫?cè)壁蒸鍍金屬薄膜，金屬材料選擇金或者鋁。圖2中I為選擇工作波長(zhǎng)下透明的載玻片，2和4均為蒸鍍納米厚度的金屬薄膜，3為待測(cè)定的生物樣本層，5為位相型納米物體，8所示為光記錄材料(A3120)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，照明光從透明載玻片底部垂直入射,位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件能夠增強(qiáng)生物樣本層的位相型納米物體的散射倏逝場(chǎng)，并且能夠有效抑制背景透射照明光對(duì)位相型納米物體近場(chǎng)成像的影響，位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件的結(jié)構(gòu)為載玻片上加工典型的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，即厚度dm的雙層金屬膜包裹厚度Cli的生物樣本層；此外，要求金屬膜的介電常數(shù)επ和生物樣本層的介電常數(shù)Si在工作波長(zhǎng)λ時(shí)滿足介電常數(shù)匹配(ε廠-ε m)。利用金屬膜的超透鏡效應(yīng)和雙層金屬和生物樣本層的耦合效應(yīng)，位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件能夠?qū)⑸飿颖緦又形⑿≌凵渎什町愞D(zhuǎn)化為近場(chǎng)光強(qiáng)強(qiáng)度分布。因此，可以通過(guò)近場(chǎng)探針掃描裝置或者光記錄材料記錄近場(chǎng)光強(qiáng)強(qiáng)度分布。此外掃描探針可以選擇曲率半徑30納米到200納米的光纖探針，掃描探針側(cè)壁需要蒸鍍金屬薄膜，金屬薄膜材料選擇鋁、金；掃描探針側(cè)壁蒸鍍金屬薄膜是為了屏蔽電磁波。光記錄材料可以選擇工作波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光刻膠。位相型納米物體的近場(chǎng)光強(qiáng)強(qiáng)度不同于生物樣本層的近 場(chǎng)光強(qiáng)強(qiáng)度，因此，可以利用光記錄材料記錄位相型納米物體。本發(fā)明實(shí)施例的具體步驟如下步驟(I)、選擇照明光的工作波長(zhǎng)λ，根據(jù)其波長(zhǎng)選擇可透光的載玻片材料；例如，照明光的工作波長(zhǎng)365納米，線偏振的光從載玻片底部垂直入射。所述步驟(O中的透光的載玻片材料的可以為硅，二氧化硅。步驟(2)、照明光的偏振模式要求選擇線偏振、圓偏振或自然偏振；步驟(3)、金屬薄膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、鋁或銅，其介電常數(shù)為επ;例如，金屬膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬銀，介電常數(shù)εm=-2. 4012+0. 2488i。步驟(4)、根據(jù)照明光波長(zhǎng)選擇介電常數(shù)匹配的金屬膜和生物樣本層材料，生物樣本層材料介電常數(shù)為ε i ;例如，介質(zhì)材料與金屬銀的介電常數(shù)匹配的材料選擇為PMM，介電常數(shù)ei=2.3。所述步驟(4)中的金屬膜和生物樣本層在照明光波長(zhǎng)下介電常數(shù)匹配，SP
(ε i _ ε m)。步驟(5)、利用納米加工技術(shù)首先在載玻片上蒸鍍厚度dm的金屬膜；例如，載玻片上蒸鍍金屬膜厚度Clm為10納米到60納米。優(yōu)選的，載玻片上蒸鍍金屬膜厚度dm為40納米。步驟(6)、固體膜層或者液體膜層的生物樣本層涂敷或者滴定在蒸鍍厚度Clm的金屬膜上，生物樣本層的厚度為Cli ;例如，涂敷或者滴定在金屬膜上的生物樣本層厚度屯為10納米到100納米。優(yōu)選的，涂敷在金屬膜上的生物樣本層厚度Cli為70納米。步驟(7)、利用納米加工技術(shù)緊接著在生物樣本層上蒸鍍厚度七的金屬膜覆蓋層；例如，生物樣本層上蒸鍍的金屬膜覆蓋層厚度dm為10納米到60納米。優(yōu)選的，生物樣本層上蒸鍍的金屬膜覆蓋層厚度dm為40納米。步驟(8)、位相型納米物體的成像記錄方式選擇近場(chǎng)掃描探針或者光記錄材料。例如，近場(chǎng)掃描探針記錄方式中的探針選擇為曲率半徑30納米到200納米的光纖探針，掃描探針側(cè)壁需要蒸鍍金屬薄膜，金屬材料選擇鋁、金。優(yōu)選的，近場(chǎng)掃描探針記錄方式中的探針選擇為曲率半徑50納米的光纖探針，掃描探針側(cè)壁需要蒸鍍金屬鋁、側(cè)壁金屬鋁膜厚度大于20納米。所述步驟(8)中的光刻膠記錄方式的光刻膠選擇為工作波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光刻膠。 以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)的局部修改或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，照明光從透明載玻片底部垂直入射，位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件能夠增強(qiáng)生物樣本層的位相型納米物體的散射倏逝場(chǎng)，并且能夠有效抑制背景透射照明光對(duì)位相型納米物體近場(chǎng)成像的影響，其特征在于步驟如下 步驟(I)、選擇照明光的工作波長(zhǎng)λ，根據(jù)其波長(zhǎng)選擇可透光的載玻片材料； 步驟(2)、照明光的偏振模式要求選擇線偏振、圓偏振或自然偏振； 步驟(3)、金屬薄膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、鋁或銅，其介電常數(shù)為8 m ； 步驟(4)、根據(jù)照明光波長(zhǎng)選擇介電常數(shù)匹配的金屬膜和生物樣本層材料，生物樣本層材料介電常數(shù)為Si ; 步驟(5)、利用納米加工技術(shù)首先在載玻片上蒸鍍厚度dm的金屬膜； 步驟(6)、固體膜層或者液體膜層的生物樣本層涂敷或者滴定在蒸鍍厚度dm的金屬膜上，生物樣本層的厚度為di; 步驟(7)、利用納米加工技術(shù)緊接著在生物樣本層上蒸鍍厚度dm的金屬膜覆蓋層； 步驟(8)、位相型納米物體的成像記錄方式選擇近場(chǎng)掃描探針或者光記錄材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(I)中的可透光的載玻片為硅或二氧化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于 p 所述步驟(I)中的照明光的工作波長(zhǎng)365納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(3)中的金屬膜材料為能夠激發(fā)表面等離子體的金屬銀，介電常數(shù)εm=-2. 4012+0. 2488i。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(4)中的位相型納米物體表面等離子體超分辨成像器件要求雙層金屬膜的介電常數(shù)επ和生物樣本層的介電常數(shù)Si對(duì)于工作波長(zhǎng)λ時(shí)滿足介電常數(shù)匹配(ε廠-επ)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(5)中的生物樣本層的厚度Cli要求10納米到100納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(6)中的金屬膜的厚度Clm要求10納米到60納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種位相型物體表面等離子體超分辨成像方法，其特征在于所述步驟(8)中的位相型納米物體的成像記錄方式要求近場(chǎng)掃描探針或者光記錄材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位相型納米物體表面等離子體超分辨成像方法，對(duì)于確定的工作波長(zhǎng)，選擇透明的載玻片，載玻片上加工典型的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，即雙層金屬膜包裹生物樣本層、要求金屬膜和生物樣本材料的介電常數(shù)匹配，利用雙層金屬薄膜包裹生物樣本層，對(duì)于線偏振的光照射，該表面等離子體超分辨成像器件能夠?qū)⑸飿颖緦又形幌嘈臀矬w與生物樣本層的微小折射率差異轉(zhuǎn)化為近場(chǎng)光強(qiáng)強(qiáng)度分布，通過(guò)近場(chǎng)探針或者光記錄方式記錄近場(chǎng)的光強(qiáng)強(qiáng)度分布從而實(shí)現(xiàn)位相型納米物體的超衍射分辨。本發(fā)明用于生物樣本中位相型納米物體的超衍射分辨，采用雙層金屬薄膜包裹生物樣本層的設(shè)計(jì)，拓展傳統(tǒng)相襯相位技術(shù)分辨力衍射受限的局限。
文檔編號(hào)G01N21/47GK102879916SQ20121032470
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者羅先剛, 趙澤宇, 王長(zhǎng)濤, 王彥欽, 姚納, 劉玲, 黃成 , 陶興, 蒲明薄, 劉凱鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所