晶片顯微鏡-光學顯微鏡的一種新方法

半個世紀以來，人們一直試圖通過技術手段來增強人類的視力。雖然人類的眼睛能夠識別大範圍的特徵，但當凝視距離很遠的物體或在微和納米世界裡的物體時，它就達到了極限。由歐盟資助的ChipScope項目的研究人員正在開發一種全新的光學顯微鏡策略。

傳統的光學顯微鏡仍然是實驗室的標準設備，是光學基本定律的基礎。因此，解析度被衍射限制到所謂的「阿貝極限」——結構特徵小於200nm的最小值不能被這種顯微鏡分辨。

到目前為止，所有超越阿貝限制的技術都依賴於複雜的設置，龐大的組件和先進的實驗室基礎設施。即使是傳統的光學顯微鏡，在大多數情況下，也不適合作為在野外或偏遠地區進行研究的行動裝置。在由歐盟資助的ChipScope項目中，一個全新的光學顯微鏡策略被探索。在經典光學顯微鏡中，分析的樣本區域是同時被照亮的，用區域選擇探測器(例如人眼或相機的傳感器)收集從每個點散射的光。

相反，在晶片鏡的想法，一個結構光源與微小，個別可尋址的元素被利用。如圖所示，標本位於光源的頂部，離光源很近。當單個發射器被激活時，光的傳播取決於樣品的空間結構，這與宏觀世界中被稱為陰影成像的東西非常相似。為了獲得圖像，探測器感知通過樣本區域傳輸的光的總數量，每次激活一個光元素，從而掃描整個樣本空間。如果光元素在納米範圍內具有尺寸，並且樣品與它們緊密接觸，光學近場就具有相關性，而且基於晶片的裝置可以實現超解析度成像。

要實現這個替代的想法，需要大量的創新技術。這種結構光源是由德國布倫施威格理工大學開發的微小發光二極體(led)實現的。由於與其他照明系統(例如經典的燈泡或滷素基發射器)相比具有優越的特性，led在過去幾十年徵服了一般照明應用的市場。然而，到目前為止，沒有任何結構的LED陣列具有獨立的可尋址像素，直到子視點m體制是商業可用的。

這個任務是由TU Braunschweig在ChipScope項目的框架內負責的。首先，研究人員已經演示了像素小於1焦距m的LED陣列，如圖所示。它們是基於氮化鎵(GaN)，一種通常用於藍色和白色led的半導體材料。控制這樣的led結構下到子的m制度是極具挑戰性的。它是通過光刻和電子束光刻來實現的，其中半導體中的結構通過光學陰影掩模或聚焦電子束來高精度地確定。

作為進一步的組成部分，高靈敏度的光探測器需要用於顯微鏡原型。在這裡，巴塞隆納大學的A. Dieguez教授的團隊開發了所謂的單光子雪崩探測器(SPADs)，它可以探測到低到單光子的光強度。將這些探測器集成到晶片顯微鏡的原型中進行的第一次測試已經進行並顯示了有希望的結果。

此外，如何將標本帶到靠近結構光源的地方對顯微鏡的正常操作至關重要。實現這一目標的成熟技術是利用微流體通道，其中一個精細的通道系統被構造成聚合物基質。使用高精度泵，一個微體積的液體被驅動通過這個系統，並攜帶樣本沿著目標位置。