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芯片显微镜-对光学显微镜的一个全新的策略

更新时间:2020-07-15 03:16点击:

半个世纪以来,人们一直试图通过技术手段来增强人类的视力。虽然人类的眼睛能够识别大范围的特征,但当凝视距离很远的物体或在微和纳米世界里的物体时,它就达到了极限。由欧盟资助的ChipScope项目的研究人员正在开发一种全新的光学显微镜策略。

传统的光学显微镜仍然是实验室的标准设备,是光学基本定律的基础。因此,衍射将分辨率限制在所谓的阿贝极限。mdash;结构特征小于最小200纳米不能被这种显微镜解决。

到目前为止,所有超越阿贝限制的技术都依赖于复杂的设置,庞大的组件和先进的实验室基础设施。即使是传统的光学显微镜,在大多数情况下,也不适合作为在野外或偏远地区进行研究的移动设备。在由欧盟资助的ChipScope项目中,一个全新的光学显微镜策略被探索。在经典光学显微镜中,分析的样本区域是同时被照亮的,用区域选择探测器(例如人眼或相机的传感器)收集从每个点散射的光。相反,在芯片镜的想法,一个结构光源与微小,个别可寻址的元素被利用。如图所示,标本位于光源的顶部,离光源很近。当单个发射器被激活时,光的传播取决于样品的空间结构,这与宏观世界中被称为阴影成像的东西非常相似。若要获得图像,探测器将感知通过样本区域传输的光的总数量,每次激活一个光元素,从而扫描整个样本空间。如果光元素在纳米范围内具有尺寸,并且样品与它们紧密接触,光学近场就具有相关性,而且基于芯片的装置可以实现超分辨率成像。

要实现这个替代的想法,需要大量的创新技术。这种结构光源是由德国布伦施威格理工大学开发的微小发光二极管(led)实现的。由于与其他照明系统(例如经典的灯泡或卤素基发射器)相比具有优越的特性,led在过去几十年征服了一般照明应用的市场。然而,到目前为止,还没有结构LED阵列具有可寻址的像素到亚微米级。这个任务是由TU Braunschweig在ChipScope项目的框架内负责的。首先,研究人员已经演示了像素小于1微米的LED阵列,如图所示。它们是基于氮化镓(GaN),一种通常用于蓝色和白色led的半导体材料。控制这样的led结构到sub-µm制度是极具挑战性的。它是通过光刻和电子束光刻来实现的,其中半导体中的结构通过光学阴影掩模或聚焦电子束来高精度地确定。

作为进一步的组成部分,高灵敏度的光探测器需要用于显微镜原型。请听A. dieguez&o教授的报道。巴塞罗那大学的研究小组开发了所谓的单光子雪崩探测器(SPADs),它可以探测到低到单光子的光强度。将这些探测器集成到芯片显微镜的原型中进行的第一次测试已经进行并显示了有希望的结果。此外,如何将标本带到靠近结构光源的地方对显微镜的正常操作至关重要。实现这一目标的成熟技术是利用微流体通道,其中一个精细的通道系统被构造成聚合物基质。使用高精度泵,一个微体积的液体被驱动通过这个系统,并携带样本沿着目标位置。这部分的显微镜组装是由奥地利理工学院AIT提供的。其他合作伙伴:维也纳医科大学、托尔维加塔罗姆大学、慕尼黑大学和瑞士FSRM。