[发明专利]用于超分辨成像的机械手及其操作方法

说明书

本发明公开了一种用于超分辨成像的机械手及其操作方法，所述机械手包括：固定底座、固定于固定底座上的微型针管、填充于微型针管内的温敏凝胶、位于微型针管内用于挤出或吸入温敏凝胶的活塞、固定安装于微型针管上用于对温敏凝胶进行加热的电热阻丝，所述温敏凝胶根据自身的温度实现固‑液态之间的转变，微型针管利用端部溢出的温敏凝胶对微球透镜进行控制。本发明通过温敏凝胶来夹取微球透镜，不会对微球产生损伤，微球透镜可重复利用；机械手加持效果可靠，可以克服液体的表面张力实现跨介质操作，微型针管刚度足够，受液体表面张力产生的变形小。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种用于超分辨成像的机械手及其操作方法。

背景技术

光学显微镜具有非接触、无损伤的特点，可对活体组织对象成像，一直是生物医学、材料科学等领域的重要研究工具。但随着生物、医学等领域的不断发展，显微镜往往被要求纳米级别的分辨率，并且能够观察100nm以下活体对象的原位动态图像，从而更好地观察病毒引起病变与导致死亡的过程。但是传统光学显微镜的成像分辨率受阿贝尔衍射极限的限制，分辨率极限约为200nm，不能满足上述要求，突破衍射极限光学领域十分重要的一个课题。目前，扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力学显微镜(AFM)、近场光学显微镜(SNOW)等仪器可以观察尺寸小于光学衍射极限的物体，但是SEM与TEM需要在真空环境下工作，很难观察活体样品，AFM与SNOW无法实时、直接观察物体，所以以上方法并不适合用来实现活体对象的无损、原位动态观测。

利用可见光作为光源，获取的显微图像可以同时反映被观测物体的颜色、透明度等信息，具有直观性，所以光学显微的成像手段依旧在显微观测领域具有不可替代的地位。因此，基于可见光的超分辨技术的成像方法与装置，对生物、材料等微观对象的无损、原位动态检测等领域的应用具有重要的现实意义。

微球透镜具有放大效果，并且能够收集被限制在物体表面近场的倏逝波，为获取光学超分辨成像的研究提供了一种简单、实时、直接的方法，按照使用方法的不同可以分为半浸没法与全浸没法，如图1～2所示。2013年，曼彻斯特大学科研团队将直径为100μm的BaTiO₃微球透镜与100×的显微镜镜头浸没在水中，可以观察到75nm的腺病毒，通过理论研究发现微球可以把含有高频信息的近场倏逝波转化为传播波，微球的纳米光子喷射能提供足够的能量将可传播波传送到微球外面，而消逝波没有衍射极限，所以可以在远场形成超分辨成像。利用微球透镜超分辨成像的方法具有实验材料简便易得、操作过程相对简单、能够实时观测等优点，已经成为光学超分辨显微成像的研究热点。

将微球透镜封装在SU-8光刻胶中也是一种对微球透镜的控制方法，其封装过程如图3所示，先制作出一层厚度为h₁的光刻胶，再在已经制作出的光刻胶层上播撒微球透镜，然后用厚度为h₂的光刻胶层将微球透镜封装住。光刻胶可以固定微球的位置，降低了微球分布的无序性；并且封装有微球的光刻胶薄膜可以被反复多次使用，使实验具有可重复性；操作光刻胶薄膜的方式也较为方便，只需将光刻胶薄膜贴附在样片表面上即可。但仍然存在部分问题：制作过程中，光刻胶薄膜厚度不易控制，一旦制成，便无法改变，影响微球透镜成像效果的调节性；只适用于平面结构，不能三维成像，难以观察表面起伏的样品，无法用于观察活体样品；微球的分布仍然是分散的，无法对连续区域进行观测。

利用微球透镜显微成像往往需要在液体中进行，所以机械手需要实现对微球透镜的跨介质(空气到液体)控制与操作。而在微纳米尺度下，粘附力对微对象的影响愈加严重，尤其当微球由空气进入液体中时，液体的表面张力对微球的位置以及机械手操作末端的位姿都会产生巨大的影响，所以在使用时，机械手必须能够克服液体的表面张力及其他形式的粘附力，以实现跨介质操作微球透镜。另一方面，机械手应有方便的控制方式、简单的结构设计、快捷的操作手段及稳定的使用性能。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种结构简单、操作方便、方便快捷、不会对操作对象以及观察对象产生损伤的用于超分辨成像的机械手及其操作方法。

发明内容