eng
Выпуск #3-4/2021
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, С.А.Сенотрусова
Оптическая микроскопия с использованием микролинз
Оптическая микроскопия с использованием микролинз
Просмотры: 696
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.184.187
Микроскопия с использованием микросфер – новый метод получения 3D-изображений со сверхвысоким разрешением благодаря использованию прозрачной микросферы при визуализации в классическом оптическом микроскопе. С помощью микролинзовой микроскопии можно получить оптическое разрешение до ста нанометров по горизонтали, например, при визуализации канавок Blu-ray-диска. При этом не требуются метки, необходима лишь небольшая модернизация обычного оптического микроскопа.
Микроскопия с использованием микросфер – новый метод получения 3D-изображений со сверхвысоким разрешением благодаря использованию прозрачной микросферы при визуализации в классическом оптическом микроскопе. С помощью микролинзовой микроскопии можно получить оптическое разрешение до ста нанометров по горизонтали, например, при визуализации канавок Blu-ray-диска. При этом не требуются метки, необходима лишь небольшая модернизация обычного оптического микроскопа.
Теги: blu-ray disk blu-ray-диск hardness interference microscopy microlens optical microscopy интерференционная микроскопия микролинзы оптическая микроскопия
ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОЛИНЗ
OPTICAL MICROSCOPY WITH THE USE OF MICROLENSES
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030), С.А.Сенотрусова1, 2 , инженер, (ORCID 0000-0003-0960-8920) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, Director of Energy Efficient Technologies, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, S.A.Senotrusova1, 2, Engineer
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.184.187
Получено: 11.05.2021 г.
Микроскопия с использованием микросфер – это новый метод получения трехмерных изображений со сверхвысоким разрешением благодаря использованию прозрачной микросферы при визуализации в классический оптический микроскоп. С помощью микролинзовой микроскопии можно получить оптическое разрешение до ста нанометров по горизонтали, например при визуализации канавок на поверхности Blu-ray-диска. При этом не требуется введение меток, необходимо лишь незначительно модернизировать обычный оптический микроскоп. Расширить возможности микролинзовой технологии можно с помощью интерференционной микроскопии, которая обеспечивает высокую чувствительность по трем координатам и дает изображение топографии со сверхвысоким разрешением.
Microscopy with the use of microspheres is a new method to obtain 3D images with ultra-high resolution due to the use of a transparent microsphere at visualization in a standard optical microscope. When using a microlens microscope it is possible to get an optical resolution up to a hundred of nanometers horizontally, for example, during visualization of blu-ray disc surface grooves. It does not require to introduce labels, it is just necessary to slightly upgrade the standard optical microscope. Besides, it is possible to improve the microlense microscopy capabilities using the interference microscopy which provides high sensitivity along three coordinates and image topography of ultra-high resolution.
ВВЕДЕНИЕ
В 2011 году Zengbo Wang и др. [1–3] экспериментально продемонстрировали принцип микроскопии с субдифракционным пределом с использованием стеклянных микросфер в обычном оптическом микроскопе. Этот неинвазивный метод визуализации в белом свете позволяет преодолеть дифракционный предел в 2–3 раза (λ/4 – λ/6). Нашей научной группой совместно с научной группой Zengbo Wang разрабатывается установка для совмещенной зондовой, оптической и микролинзовой микроскопии [4].
Принцип микроскопии с использованием микросфер для получения 2D-изображений заключается в размещении прозрачной микросферы между исследуемым образцом и оптическим микроскопом. При этом важно, чтобы расстояние между образцом и линзой было минимальным. Микросфера работает как оптический увеличитель, она создает увеличенное мнимое изображение объекта. Затем уже линза оптического микроскопа собирает мнимое изображение, превосходящее дифракционный предел. Таким образом, с использованием микросферы и линзы объектива оптического микроскопа может быть получено изображение в микромасштабе без меток со сверхвысоким разрешением.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ
В данной работе мы используем оптический микроскоп Zeiss Model AxioSkop-40 с апертурой 0,9. Разрешение микроскопа составляет около 350 нм. Для проверки точности измерений в качестве тестового образца используются микросхемы, калибровочная решетка для оптического микроскопа и поверхность Blu-ray-диска. Параллельно контроль измерений проводится с помощью зондового микроскопа "ФемтоСкан", обработка изображений –
в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн" [5].
Несмотря на то, что явление, лежащее в основе эффекта сверхвысокого разрешения, в настоящее время полностью не изучено, результаты моделирования показывают важность подбора геометрических и оптических параметров для увеличения и улучшения латерального разрешения: в частности, диаметра микросферы, показателя преломления как окружающей среды, так и микросферы, а также длины волны света.
Диаметр микросферы влияет не только на латеральное разрешение, но и на поперечный угол обзора: чем меньше микросфера, тем выше разрешение и тем меньше площадь измерения. Фокусное расстояние определяется по формуле:
, (1)
где: n1 – показатель преломления окружающей среды;
n2 – показатель преломления линзы;
R1 и R2 – радиусы кривизны линзы.
Для сфер с показателем преломления 1 < n2 < 2 фокус расположен на некотором расстоянии на поверхности со стороны тени. При n2 = 2 фокусировка происходит именно на теневой стороне. Наконец, для всех n2 > 2 свет фокусируется внутри линзы. Следуя закону Снеллиуса, можно найти фокус геометрической оптики, который находится на расстоянии
. (2)
Фокусное расстояние измеряется от центра сферы [6].
Для измерений используются микролинзы из титаната бария BTGMS-4,25, диаметр 30–100 мкм, плотность 4,22 г/см3, показатель преломления 1,9. При использовании микросферы в 15 мкм фокусное расстояние составляет 7,9 мкм в соответствии с формулой (2).
Чтобы уменьшить показатель преломления n, можно поместить жидкость на сферу, так как важен не абсолютный показатель преломления сферы, а относительный nсферы/n окружения. Таким образом, при использовании капли воды относительный показатель преломления составит n = 1,9/1,33 = 1,4286.
ВЫВОДЫ
Еще одной разработкой является совмещение микролинзовой микроскопии с зондовой. Совмещенный микролинзовый и зондовый микроскоп имеет несколько преимуществ: наличие большого поля обзора для детального подвода с помощью зондового микроскопа, визуализация и механическое манипулирование отдельными объектами, получение 2D- и 3D-изображений образца, наблюдение в воздушных и жидких средах с контролируемыми параметрами.
Следует отметить, что оптическое изображение наноструктур за границей дифракционного предела получается также в случае конфокальной, интерференционной, флуоресцентной и рамановской микроскопии. В случае интерференционной микроскопии пространственное разрешение по вертикали может составлять единицы нанометра.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ, проект № 20-12-00389, РФФИ, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z., Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. (2016) 16, 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. (2016) 2, e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciad. v. 1600901.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Wang Z. Integration of scanning probe microscopy and optical superlens array technology. Nanoindustry, (2020) 13 (5 (98)) 258–262. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.5.258.262
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online software and visualization of nano-objects in high-resolution microscopy. Nanoindustry, (2018) 11 (6 (85)): 414–416. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
Luk’yanchuk B.S., Paniagua-Domínguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets: yesterday, today and tomorrow. Opt. Mater. Express (2017) 7, 1820-1847 https://doi.org/10.1364/OME.7.001820
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
OPTICAL MICROSCOPY WITH THE USE OF MICROLENSES
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. физического и химического факультетов МГУ имени М.В.Ломоносова, вед. научн. сотр. ИНЭОС РАН, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0002-5115-8030), С.А.Сенотрусова1, 2 , инженер, (ORCID 0000-0003-0960-8920) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminskiy1, 2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Leading Sci. of INEOS RAS, Director of Energy Efficient Technologies, A.I.Akhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, S.A.Senotrusova1, 2, Engineer
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.184.187
Получено: 11.05.2021 г.
Микроскопия с использованием микросфер – это новый метод получения трехмерных изображений со сверхвысоким разрешением благодаря использованию прозрачной микросферы при визуализации в классический оптический микроскоп. С помощью микролинзовой микроскопии можно получить оптическое разрешение до ста нанометров по горизонтали, например при визуализации канавок на поверхности Blu-ray-диска. При этом не требуется введение меток, необходимо лишь незначительно модернизировать обычный оптический микроскоп. Расширить возможности микролинзовой технологии можно с помощью интерференционной микроскопии, которая обеспечивает высокую чувствительность по трем координатам и дает изображение топографии со сверхвысоким разрешением.
Microscopy with the use of microspheres is a new method to obtain 3D images with ultra-high resolution due to the use of a transparent microsphere at visualization in a standard optical microscope. When using a microlens microscope it is possible to get an optical resolution up to a hundred of nanometers horizontally, for example, during visualization of blu-ray disc surface grooves. It does not require to introduce labels, it is just necessary to slightly upgrade the standard optical microscope. Besides, it is possible to improve the microlense microscopy capabilities using the interference microscopy which provides high sensitivity along three coordinates and image topography of ultra-high resolution.
ВВЕДЕНИЕ
В 2011 году Zengbo Wang и др. [1–3] экспериментально продемонстрировали принцип микроскопии с субдифракционным пределом с использованием стеклянных микросфер в обычном оптическом микроскопе. Этот неинвазивный метод визуализации в белом свете позволяет преодолеть дифракционный предел в 2–3 раза (λ/4 – λ/6). Нашей научной группой совместно с научной группой Zengbo Wang разрабатывается установка для совмещенной зондовой, оптической и микролинзовой микроскопии [4].
Принцип микроскопии с использованием микросфер для получения 2D-изображений заключается в размещении прозрачной микросферы между исследуемым образцом и оптическим микроскопом. При этом важно, чтобы расстояние между образцом и линзой было минимальным. Микросфера работает как оптический увеличитель, она создает увеличенное мнимое изображение объекта. Затем уже линза оптического микроскопа собирает мнимое изображение, превосходящее дифракционный предел. Таким образом, с использованием микросферы и линзы объектива оптического микроскопа может быть получено изображение в микромасштабе без меток со сверхвысоким разрешением.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИЯ
В данной работе мы используем оптический микроскоп Zeiss Model AxioSkop-40 с апертурой 0,9. Разрешение микроскопа составляет около 350 нм. Для проверки точности измерений в качестве тестового образца используются микросхемы, калибровочная решетка для оптического микроскопа и поверхность Blu-ray-диска. Параллельно контроль измерений проводится с помощью зондового микроскопа "ФемтоСкан", обработка изображений –
в программном обеспечении "ФемтоСкан Онлайн" [5].
Несмотря на то, что явление, лежащее в основе эффекта сверхвысокого разрешения, в настоящее время полностью не изучено, результаты моделирования показывают важность подбора геометрических и оптических параметров для увеличения и улучшения латерального разрешения: в частности, диаметра микросферы, показателя преломления как окружающей среды, так и микросферы, а также длины волны света.
Диаметр микросферы влияет не только на латеральное разрешение, но и на поперечный угол обзора: чем меньше микросфера, тем выше разрешение и тем меньше площадь измерения. Фокусное расстояние определяется по формуле:
, (1)
где: n1 – показатель преломления окружающей среды;
n2 – показатель преломления линзы;
R1 и R2 – радиусы кривизны линзы.
Для сфер с показателем преломления 1 < n2 < 2 фокус расположен на некотором расстоянии на поверхности со стороны тени. При n2 = 2 фокусировка происходит именно на теневой стороне. Наконец, для всех n2 > 2 свет фокусируется внутри линзы. Следуя закону Снеллиуса, можно найти фокус геометрической оптики, который находится на расстоянии
. (2)
Фокусное расстояние измеряется от центра сферы [6].
Для измерений используются микролинзы из титаната бария BTGMS-4,25, диаметр 30–100 мкм, плотность 4,22 г/см3, показатель преломления 1,9. При использовании микросферы в 15 мкм фокусное расстояние составляет 7,9 мкм в соответствии с формулой (2).
Чтобы уменьшить показатель преломления n, можно поместить жидкость на сферу, так как важен не абсолютный показатель преломления сферы, а относительный nсферы/n окружения. Таким образом, при использовании капли воды относительный показатель преломления составит n = 1,9/1,33 = 1,4286.
ВЫВОДЫ
Еще одной разработкой является совмещение микролинзовой микроскопии с зондовой. Совмещенный микролинзовый и зондовый микроскоп имеет несколько преимуществ: наличие большого поля обзора для детального подвода с помощью зондового микроскопа, визуализация и механическое манипулирование отдельными объектами, получение 2D- и 3D-изображений образца, наблюдение в воздушных и жидких средах с контролируемыми параметрами.
Следует отметить, что оптическое изображение наноструктур за границей дифракционного предела получается также в случае конфокальной, интерференционной, флуоресцентной и рамановской микроскопии. В случае интерференционной микроскопии пространственное разрешение по вертикали может составлять единицы нанометра.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, РНФ, проект № 20-12-00389, РФФИ, проект № 20-32-90036.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wang Z., Guo W., Li L., Luk’yanchuk B., Khan A., Liu Z., Chen Z., Hong M. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope, Nature Communications (2011) 2, p. Article No. 218. https://doi.org/10.1038/ncomms1211
Monks J., Yan B., Hawkins N., Vollrath F., Wang Z., Spider Silk: Mother Nature’s Bio-Superlens, Nano Letters. (2016) 16, 5842−5845. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b02641
Fan W., Yan B., Wang Z.B., Wu L. Three-dimensional all-dielectric metamaterial solid immersion lens for subwavelength imaging at visible frequencies, Sci. Adv. (2016) 2, e1600901. http://dx.doi.org/10.1126/sciad. v. 1600901.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Wang Z. Integration of scanning probe microscopy and optical superlens array technology. Nanoindustry, (2020) 13 (5 (98)) 258–262. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.5.258.262
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online software and visualization of nano-objects in high-resolution microscopy. Nanoindustry, (2018) 11 (6 (85)): 414–416. http://dx.doi.org/10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
Luk’yanchuk B.S., Paniagua-Domínguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets: yesterday, today and tomorrow. Opt. Mater. Express (2017) 7, 1820-1847 https://doi.org/10.1364/OME.7.001820
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
