光學顯微鏡的新發現

2020-11-27 騰訊網

新伊利諾州歐洲經委會項目組的一個新研究正在推進光學顯微鏡技術，並為該領域提供了一個關鍵的新工具，以解決許多科學和工程領域的挑戰性問題，包括半導體晶圓檢測、納米顆粒傳感、材料表徵、生物傳感、病毒計數和微流控監測。

人們經常問這樣一個問題：「為什麼我們在光學顯微鏡下看不到或感覺不到納米級的物體？」教科書上的答案是，它們的相對信號很弱，它們的分離度小於阿貝的解析度極限。

然而，由Lynford L Goddard教授領導的研究小組，連同小組內的博士後Jinlong Zhu和博士生Aditi Udupa，正在用一個全新的光學框架挑戰這些基石原則。

他們的工作發表在《自然通訊Nature Communications》雜誌上，為利用光學顯微鏡解決影響我們日常生活的難題打開了新的大門。

「我們的工作意義重大，不僅因為它促進了對光學成像的科學理解，還因為它使研究人員能夠直接可視化具有深亞波長分離的未標記物體。」Goddard說：「我們可以在不進行任何圖像後處理的情況下看到納米級結構。」

該團隊的突破始於2018年5月，當時Zhu和Goddard在一次模擬中偶然發現了一個顯著的結果。「當時，我們正在進行晶圓缺陷檢測的理論研究，需要建立一個模擬工具來模擬光如何通過顯微鏡系統傳播。當我們看到其中一種配置的模擬結果時，我們非常困惑，接下來的三個月裡，我們日以繼夜地工作，試圖了解背後的物理原理。一旦我們開發出一個封閉式的分析表達式來解釋發生了什麼，我們就可以設計一個實驗來檢驗我們的假設。」

然而，還需要5個月的反覆試驗才能學會如何構建和校準光學系統，從而使實驗配置複製模型假設。同時，Udupa女士在Holonyak微納米技術實驗室和材料研究實驗室，在Edmond Chow博士和Tao Shang博士的協助下，製作了合適的測試樣品。2019年1月，研究小組最終實現了必要的實驗條件，並直接可視化了他們的第一組深亞波長物體。

「使用一個標準的光學顯微鏡來觀察納米物體是非常有挑戰性的，不僅因為衍射屏障，而且還因為微弱的信號，」Zhu說，「我們的實驗必須利用兩個新的有趣的物理概念，即反對稱激發和非共振放大，來提高納米物體的信噪比。」

研究小組證明，利用低數值孔徑物鏡（0.4 NA），該技術可以在大視場（726μm×582μm）範圍內感知自由形式和固定形式的納米物體。Zhu解釋道：「我們很幸運，上面所示的測試樣品上的一些納米線存在製造缺陷。這使我們能夠演示半導體晶片中20納米以下缺陷的可視化。在未來，人們還可以通過選擇具有優化幾何結構和適當折射率的納米線以及納米線周圍的圖案化官能團，將我們的方法應用於生物物體（例如病毒或分子簇）的可視化傳感。一旦目標分析物被捕獲，它們就充當可從光學圖像直接看到的物體。」

來源：https://phys.org/news/2020-06-discovery-advances-optical-microscopy.html

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