[发明专利]一种基于周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的近场超分辨光学成像方法

说明书

本发明公开了一种基于周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的近场超分辨光学成像方法，通过周期纳米孔阵列可以将入射光拆分成10‑500nm直径的细小光束，透镜介质微球阵列可以将这些光束分别聚焦，形成光斑阵列。通过三维移动周期纳米孔阵列器件使孔阵列与透镜介质微球阵列的中心轴对应，最大程度的将被孔阵列分散的光束聚焦，得到纳米级的光斑阵列，进而实现超分辨显微成像的目的。本发明的有益效果是结合周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的优势，将传统进场扫描光学显微镜的点扫描方式扩展为阵列扫描，克服了其单次成像范围小、需要极细探针、扫描过程与样品接触、无法对高度变化大的样品成像的缺陷，实现超高分辨率的显微成像。

技术领域

本发明涉及近场超分辨光学成像技术领域，尤其涉及一种基于周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的近场超分辨光学成像方法。

背景技术

1928年英国科学家Synge第一次提出了一种能够突破光学显微镜的分辨率的设想，Synge设想将亚波长尺寸的探测器置于样品的近场范围内，进行逐点扫描并采集每个点的光信号，就能够实现超分辨的成像，这就是扫描近场光学显微镜(Scanning Near-fieldOptical Microscopy,SNOM)(Synge E H.A suggested method for extendingmicroscopic resolution into the ultra-microscope region.PhilosophicalMagazine,1928,6(35):356-362)。Synge在文章中具体描述了这种方法，将一个带有很小直径小孔的不透明的平板放在距离样品表面不到100nm距离处，入射光经过小孔就变成了一个非常小的光点。利用小光点照射样品，以10nm的步长逐点扫描，并探测来自样品的光，就能够得到样品的二维成像，根据他的预言，该技术能够将光学分辨率提高到纳米级别。SNOM能够实现超分辨成像的关键点在于:1)光源足够强；2)亚波长级小孔；3)纳米级移动量和定位精度。

在近场光学区域，探针的尺寸决定了探针的分辨率，而与照明光源的波长无关(王佳,武晓宇,孙琳.扫描近场光学显微镜与纳米光学测量.科学出版社，2016)。但是有孔径探针激光耦合效率比较低，信号较弱。当孔径达到100nm时，光透过率急剧下降。因此需要在光学分辨率和通光效率之间进行选择和平衡。在实际应用中，目前有孔径探测针SNOM分辨率没有超过50nm。同时实际制作纳米探针受到各种因素和各种工艺条件的限制，与理想设计的不一样。如果针尖顶端尺寸过大过粗；孔径不是圆孔；探针被污染；金属膜有缺陷甚至局部翘起；镀膜损坏孔径漏光等，这些都会严重影响SNOM成像质量。SNOM发展受到另外一个限制因素是时间分辨率较低。对于大面积和高分辨率成像需要较长的扫描时间，不能满足对细胞中的单分子定位和动态过程的研究。

发明内容

本发明是针对现在近场扫描光学显微镜分辨率低和成像速度受限的问题，提出了一种基于周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的超分辨光学显微成像方法。相比于逐点扫描的近场扫描光学显微镜，本方案具有更快的成像速度，并且可以提高显微镜的空间分辨率。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列的近场超分辨光学成像方法，包括以下步骤：

S1、在近场光学显微镜的上方增加三维压电位移台，所述三维压电位移台由上至下依次安装光纤、准直器、周期纳米孔阵列和透镜介质微球阵列组成的聚焦模块，所述周期纳米孔阵列的孔间距与透镜介质微球阵列中微球间距相同，保持孔与微球中轴对应；

S2、将样品放置于透镜介质微球阵列的焦面上，并处于近场显微镜成像范围内；

S3、以扫描点阵的方式完成视野内样品图像采集工作；

S4、利用三维压电位移台控制聚焦模块在样品表面逐步按次序移动，直至完成待测样品表面的图像采集；

S5、将所有采集图像按次序拼接，实现待测样品表面超分辨图像。