基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統和方法
【專利摘要】本發明涉及基于微透鏡修飾掃描探針的光學動態成像系統，包括掃描探針顯微鏡和微透鏡；所述掃描探針顯微鏡的探針上設有微透鏡，掃描探針顯微鏡的納米定位機構上設有樣品臺，掃描探針顯微鏡的光學顯微鏡位于探針以及樣品臺上方。方法包括：在掃描探針顯微鏡的探針上固定微透鏡；將光學顯微鏡的工作平面聚焦到微透鏡的像平面上；掃描探針顯微鏡實時反饋探針的位置，同時光學顯微鏡獲取通過微透鏡所呈現的超分辨率圖像并發送至計算機顯示。本發明能夠實現光學超分辨率動態觀測成像，并且有效解決掃描探針類顯微鏡在掃描成像初期對納米物體進行視覺觀測定位問題，以及納米操作時的實時視覺反饋問題，從而提高納米觀測和納米操作的效率。
【專利說明】
基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統和方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于微透鏡的超分辨率光學顯微和掃描探針顯微融合技術的系統和方法，具體說是利用掃描探針的反饋控制機制實現超分辨率動態光學顯微觀測成像，并可以實現宏、微、納無縫觀測，以及具有實時視覺反饋的納米操作。主要用于需要納米級超分辨率實時動態觀測和操作領域，包括材料、生命科學等各個領域。
【背景技術】
[0002]19世紀末，德國科學家恩斯特.阿貝對光學顯微鏡的分辨率做出了界定，認為是光波長的一半，即約為0.2微米，這就是著名的光學衍射極限。20世紀的絕大多數時間里，科學家們都相信光學顯微成像技術將永遠無法突破衍射極限的限制。但是隨著科學研究的深入，特別是在生物科學領域，人們早已開始了對細胞內部結構的研究，因此需要對細胞內部的組織結構進行活體觀測。電子顯微鏡只能觀測細胞干燥的死亡細胞表面，不能觀測活體細胞內部結構。近些年來，基于不同原理的光學超分辨率方法被提出，常見的包括:4pi顯微鏡，I5M顯微鏡，受激發射損耗顯微鏡和掃描近場光學顯微鏡，但是這些方法在使用過程中具有一些共同的限制:1)逐點掃描，效率低；2)不能實時成像；3)大多只能用于熒光成像；4)有些需要復雜的后續圖像處理等。
[0003]基于掃描探針類顯微鏡(原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，掃描離子電導顯微鏡)自誕生以來因其納米級分辨率就獲得了廣泛的關注和發展，但是因其掃描范圍小和成像速度慢，并且在觀測之前無法對納米尺度物體進行視覺定位，在納米操作過程中無法進行視覺反饋，因此在一定程度上限制了其更廣泛的應用。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的上述不足之處，本發明的目的是提供基于微透鏡的光學超分辨率動態成像系統和方法，從而實現超高分辨率動態光學顯微成像；解決掃描探針類顯微鏡的視覺定位觀測和對納米操作目標進行操作時實時視覺反饋問題。
[0005]本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，包括掃描探針顯微鏡和微透鏡；所述掃描探針顯微鏡的探針上設有微透鏡，掃描探針顯微鏡的納米定位機構上設有樣品臺，掃描探針顯微鏡的光學顯微鏡位于探針以及樣品臺上方。
[0006]所述微透鏡設置于探針末端。
[0007]所述微透鏡最底端位置低于探針針尖位置，或者高于探針針尖位置的距離小于I微米。
[0008]所述掃描探針顯微鏡中光學顯微鏡的物鏡放大倍數大于等于20倍。
[0009]所述掃描探針顯微鏡米用原子力顯微鏡，原子力顯微鏡中光學顯微鏡的物鏡和鏡筒間設有光路結構。
[0010]所述光路結構為反射鏡或分束器。
[0011]所述光路結構還包括偏振分束器、四分之一波片；所述偏振分束器、四分之一波片依次設于反射鏡或分束器與激光器之間。
[0012]所述光路結構還包括凸透鏡，凸透鏡設置于偏振分束器與四象限光電傳感器之間。
[0013]基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像方法，包括以下步驟:
[0014]在掃描探針顯微鏡的探針上固定微透鏡；將樣品置于樣品臺上并位于探針下方；
[0015]將光學顯微鏡的工作平面聚焦到微透鏡的像平面上，通過掃描探針顯微鏡移動探針到待觀測或操作區域；
[0016]掃描探針顯微鏡實時反饋探針的位置并控制探針使微透鏡與樣品之間保持設定的納米或微米距離，同時光學顯微鏡獲取通過微透鏡所呈現的超分辨率圖像并發送至計算機顯示。
[0017]掃描探針顯微鏡控制探針和/或樣品臺的位置，使微透鏡與樣品在相對運動中實現微透鏡的動態觀測成像。
[0018]本發明具有以下有益效果及優點:
[0019]1、本發明采用微透鏡打破了光學衍射極限，在自然光照條件下，利用普通光學顯微鏡就能實現納米級的分辨率，為實現活體細胞內部納米結構的觀測研究提供了有效技術手段，并且將掃描探針技術和微透鏡顯微技術相融合還能實現超分辨率動態光學顯微成像，為掃描探針顯微鏡提供視覺定位觀測和實時視覺反饋納米操作，拓展掃描探針顯微鏡的納米觀測成像及納米操作能力。
[0020]2、構建基于光學顯微鏡成像、基于微透鏡的超分辨率成像和掃描探針類顯微鏡成像的宏、微、納無縫觀測。針對待觀測的納米尺度目標，可以先利用光學顯微鏡鎖定待觀測目標的大致位置，再利用微透鏡進行超分辨率動態觀測成像，實現觀測目標的初步定位，最后利用掃描探針類顯微鏡探針進行精細掃描觀測成像，從而實現宏、微、納無縫定位觀測。
[0021]3、本發明可以有效解決掃描探針類顯微鏡在掃描成像初期對納米物體進行視覺觀測定位問題，以及納米操作時的實時視覺反饋問題，提高納米觀測和納米操作的效率和成功率。
[0022]4、在對納米操作對象進行實時成像時無需額外對樣品進行修飾，因而不局限于熒光成像，成像范圍不受待觀測物體的自身屬性限制。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的系統結構原理示意圖；
[0024]圖2為基于原子力顯微鏡的微球超分辨率光學成像系統結構原理圖；
[0025]圖3為微透鏡遠離樣品時在光學顯微鏡下的圖像；
[0026]圖4為柵格(寬150nm，間距150nm，高度為15nm)超分辨率光學圖像；
[0027]其中I是掃描探針顯微鏡，2是探針，3是微透鏡，4是光學顯微鏡，5是樣品臺，6是納米定位機構，7是微動機構；8是激光器，9是激光，10是偏振分束器，11是四分之一波片，12是反射鏡或分束器，13是物鏡，14是鏡筒，15是相機，16是凸透鏡，17是四象限光電傳感器，18是控制器，19是計算機，20是光路結構。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0029]本發明將微透鏡超分辨率顯微鏡技術與掃描探針類顯微鏡技術進行有效融合，實現新的納米觀測成像系統，其實現方法如下。
[0030]首先利用微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針(如原子力顯微鏡的探針、掃描離子電導顯微鏡的毛細管以及掃描隧道顯微鏡)進行修飾，即將微透鏡固定于探針的合適位置。其次，根據掃描探針顯微鏡技術和微透鏡顯微成像技術構建微球超分辨率光學成像系統。然后將微透鏡修飾后的探針固定于超分辨率觀測系統上進行掃描，根據掃描探針顯微鏡的反饋控制機理實現探針與樣品的距離控制，并對樣品表面進行動態掃描。最后利用掃描探針類顯微鏡自帶的光學顯微鏡相機對微透鏡顯示的超分辨率圖像進行實時數據采集成像，就可以獲得動態的超分辨率視覺圖像。
[0031]系統結構設計如圖1?2所示。主要包括探針2，微透鏡3，樣品臺5，納米定位機構6，微動機構7，激光器8，激光9，偏振分束器10，四分之一波片11，反射鏡或分束器12，物鏡13，鏡筒14，相機15，凸透鏡16，四象限光電傳感器17，控制器18，計算機19。
[0032]其中納米定位機構6可以是納米定位平臺，也可以是具有納米定位能力的壓電陶瓷管，以及其它具有納米定位能力的運動機構。納米定位機構6至少要有豎直方向(Z方向)的位置定位能力。
[0033]其中微動機構7是具有微米或亞微米定位能力的大范圍運動平臺，運動范圍一般在1mm以上。根據系統的設計結構，微動機構7可以是一個三維的微動機構；微動機構7也可以是一個二維(X、Y方向)的運動機構，第三維(Ζ方向)用于固定光學顯微鏡。
[0034]其中帶掃描的樣品要置于樣品臺上，樣品臺5置于三維納米運動機構6上，三維納米運動機構6置于微動機構7上。這樣的機構保證了在動態掃描成像時，光學顯微鏡物鏡和探針的相對位置固定不變，實現微透鏡超分辨率穩定成像。原子力顯微鏡一個重要的組成部分就是光路系統的設計。相對于傳統原子力顯微鏡所要求的10倍或20倍物鏡，微透鏡成像要求40倍以上的高倍物鏡，因此光學顯微鏡工作距離短，并且還要滿足一定的光杠桿放大倍數。考慮到這些要求，本發明設計了一套有效的激光光路，如圖2所示框圖20內所不的部分。在原子力顯微鏡中光學顯微鏡4的物鏡13和鏡筒14間設有光路結構。光路結構包括偏振分束器10、四分之一波片11、反射鏡或分束器12、凸透鏡16 ;激光器8、偏振分束器10、四分之一波片11、反射鏡或分束器12依次設置，反射鏡或分束器12設于物鏡13和鏡筒14之間；偏振分束器10的豎直方向上依次設有凸透鏡16、四象限光電傳感器17，四象限光電傳感器17與控制器18連接。偏振分束器10內的分束面和反射鏡或分束器12鏡面平行。反射鏡或分束器12的輸出光路的光軸垂直于樣品臺平面。
[0035]其中激光器8是紅光激光器，激光器所發射的激光9經過偏振分束器10后只剩平行偏振激光，平行偏振光經過四分之一波片11后轉換成圓偏振光，此后圓偏振光依次經過反射鏡或分束器12和物鏡13聚焦到探針2的懸臂梁反射面上后反射的激光依次經過物鏡13和反射鏡或分束器12，再次經過四分之一波片11后轉換成了垂直偏振光，這時垂直偏振光經過偏振分束器10的反射后經過凸透鏡16投射到四象限光電傳感器17上。鏡筒14采用無限共軛鏡筒，相機15采集到微透鏡所呈現的光學圖像。反射鏡12采用紅光反射鏡。
[0036]掃描探針顯微鏡I的控制器18功能和傳統原子力顯微鏡一樣，用于四象限光電傳感器17的信號處理、系統控制、納米定位機構6和微動機構7的運動控制等，計算機19用于系統監控、相機15的視覺圖像顯示及探針掃描數據的圖形顯示等功能。
[0037]本系統的微透鏡與普通光學顯微鏡組合能夠打破光學衍射極限，實現超分辨率光學成像。將微透鏡超分辨率光學顯微技術與掃描探針顯微鏡技術實現有效融合，利用微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針(如原子力顯微鏡的探針、掃描離子電導顯微鏡的毛細管)進行修飾，通過掃描探針類顯微鏡的反饋控制機制實現微透鏡與樣品的距離控制，通過控制掃描探針類顯微鏡的掃描機制使微透鏡與樣品產生相對運動，實現動態觀測成像。另外，微透鏡超分辨率光學顯微技術與掃描探針顯微鏡技術實現有效融合，將實現宏、微、納無縫觀測，及具有實時視覺反饋的納米操作。
[0038]超分辨率成像是指打破光學衍射極限，所使用的微透鏡具有超分辨能力。
[0039]微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針進行修飾是指將微透鏡固定于掃描探針類顯微鏡探針合適位置上。
[0040]微透鏡與樣品的距離控制是指微透鏡能夠跟蹤樣品表面形貌的高低起伏，使微透鏡與樣品表面始終保持固定距離。具體可采用掃描探針類顯微鏡探針與樣品的距離反饋控制原理來實現。
[0041]動態觀測成像是指在掃描探針類顯微鏡在掃描過程中，可利用微透鏡光學超分辨能力，實現實時視覺觀測與成像。
[0042]納米操作時的實時視覺反饋，是指在利用掃描探針對納米尺度物體進行操作的同時，利用微透鏡對納米操作的結果進行實時觀測成像，以隨時判斷操作的結果是否正確。
[0043]本發明具體實現方法為:
[0044](I)以掃描探針類顯微鏡(如原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和掃描離子電導顯微鏡)技術為核心構建微透鏡超分辨率光學成像系統。并充分考慮到微透鏡超分辨率成像的特殊要求，例如，系統中的光學顯微鏡部分要求應用高放大倍率(如20倍，40倍，50倍，100倍等)物鏡；另外，在動態觀測成像時，微透鏡和物鏡的相對位置要固定不變。
[0045](2)所使用微透鏡的材料、尺寸和形狀與觀測環境相關，比如在空氣中時，可采用2微米至9微米二氧化硅微透鏡或30微米至300微米聚苯乙烯微透鏡等；在液體中時，可采用2微米至300微米，折射率為1.8?2.2的微透鏡，如鈦酸鋇玻璃微透鏡等能夠實現超分辨率觀測的微透鏡。
[0046](3)制備微透鏡修飾的掃描探針類顯微鏡探針(包括原子力顯微鏡的掃描探針、掃描隧道顯微鏡探針和掃描離子電導顯微鏡毛細管探針)，可利用特定的方法(如粘結劑)將微透鏡固定在掃描探針類顯微鏡探針上靠近探針針尖處，完成微透鏡修飾探針制備。另外也可以通過制備滿足特定掃描探針類顯微鏡功能要求的一體式微透鏡探針來實現超分辨率動態觀測成像。
[0047](4)微透鏡光學超分辨率圖像獲取方法。調整微透鏡和探針位置到光學顯微鏡的視野內，并調整到最清晰的位置，如圖3所示；將樣品置于樣品臺上，利用掃描探針顯微鏡使探針接觸樣品表面，再通過掃描探針類顯微鏡的間距反饋控制機制使微透鏡與樣品輕微接觸或保持間距在納米至微米尺度。最后從相機獲取的視覺圖像觀察微透鏡內是否有清晰的納米尺度形貌圖像，如果沒有，則需要對顯微鏡進行重新調節，將光學顯微鏡的工作平面聚焦到微透鏡的像平面，從而獲得清晰圖像。圖4是利用上述方法獲得的柵格(寬150nm，間距150nm，高度為15nm)超分辨率光學圖像。
[0048](5)實時動態成像，即實現高速超分辨率掃描顯微術。此過程建立在(4)所描述的基礎之上，并通過利用掃描探針類顯微鏡的位置調控方法在掃描過程中對微透鏡的空間位置進行有效的控制，從而保證在掃描過程中微透鏡的超分辨率動態成像。
[0049](6)宏、微、納無縫觀測方法:針對待觀測的納米尺度目標，可以先利用光學顯微鏡鎖定待觀測目標的大致位置，進而利用微透鏡進行大范圍的超分辨率動態觀測成像，實現觀測目標的初步定位，最后利用掃描探針類顯微鏡探針進行精細掃描觀測成像，實現宏、微、納無縫定位觀測。
[0050](7)納米操作過程中的實時視覺反饋，此過程建立在⑷和(5)的基礎之上，利用掃描探針類顯微鏡對納米尺度目標進行操作，通過微透鏡的實時成像實現基于掃描探針類顯微鏡的實時視覺反饋操作。
[0051]實施例一
[0052]以微透鏡顯微技術和原子力顯微鏡技術相結合構建超分辨率光學成像系統為例說明具體實現過程。
[0053]微透鏡修飾探針方法:
[0054]I)利用程控激光拉制儀(例如P2000/G，Sutter Instrument公司)制備具有錐形尖端的毛細玻璃管，尖端直徑約8微米。毛細玻璃管通過軟管與注射器相連，并固定于微納XYZ三維移動平臺。
[0055]2)用固定好的毛細管吸取微量紫外固化膠N0A63，通過三維移動平臺控制毛細管尖端移動到固定在探針夾上的原子力顯微鏡探針懸臂梁前端，并釋放少量N0A63至懸臂梁前端。
[0056]3)取適量70微米左右鈦酸鋇玻璃微透鏡并均勻分散在潔凈的基底表面。控制沾有N0A63的毛細管尖端移動到微透鏡附近，并粘取單個微透鏡于毛細管尖端。通過控制毛細管的移動，將該微透鏡移動到沾有N0A63的探針懸臂梁上，使微透鏡接觸懸臂梁前端帶有N0A63區域。快速移動毛細管遠離懸臂梁，從而使微透鏡固定在懸臂梁前端，固定的位置要保證微透鏡不擋住激光光路。另外，探針的針尖位置可以高于微透鏡最底端位置，但是不能低于微透鏡最底端一個光波長距離，以保證微球最低端與樣品表面保持一個波長的距離范圍內。
[0057]4)取一功率為100W的鹵素燈至于帶有微透鏡的原子力掃描顯微鏡探針上方約I米處，進行照射。照射時間為20分鐘。然后將探針翻轉再照射20分鐘，實現N0A63的完全固化，將微透鏡固定在探針前端，從而實現微透鏡修飾的原子力掃描顯微鏡探針的制備，如圖3所示。
[0058]微透鏡光學超分辨率圖像獲取方法:調整微透鏡和探針位置到光學顯微鏡的視野內，并調整到最清晰的位置，如圖3所示。將樣品置于樣品臺上，利用普通原子力顯微鏡的探針，通過相繼調整微動機構7和納米定位機構6的Z向位置，使得樣品逐漸逼近探針，并通過原子力顯微鏡的探針和樣品的間距反饋控制機制使微透鏡與樣品輕微接觸或保持間距在納米至微米尺度，這時通過相機15觀測微透鏡內是否有清晰的納米尺度形貌圖像，如果沒有，則需要對顯微鏡進行重新調節，將光學顯微鏡的工作平面聚焦到微透鏡的像平面，從而獲得清晰圖像。具體為實時監視PSD信號和微透鏡的中心區域；當PSD信號發生明顯變化或微透鏡中心區域出現清晰圖像時，表示微透鏡與樣品表面已相互接觸或距離已減小到微米或納米尺度；如果在PSD信號發生明顯變化但是微透鏡中心區域無圖像或者圖像不清晰時，重新調節顯微鏡，將顯微鏡的共組平面聚焦到微透鏡的像平面，從而實現實時清晰成像。圖4是利用上述方法獲得的柵格(寬150nm，間距150nm，高度為15nm)超分辨率光學圖像。
[0059]超分辨率動態成像方法:利用原子力顯微鏡的反饋控制機制實現微透鏡與樣品的距離控制，具體是通過反饋調節納米定位機構6的Z向位置來實現。通過控制納米定位機構6的X、Y方向或者控制微動機構7的X、Y方向運動軌跡，來實現運動軌跡線上樣品表面形貌的超分辨率實時動態觀測。
[0060]宏、微、納無縫觀測方法:針對待觀測的納米尺度目標，可以先利用光學顯微鏡鎖定待觀測目標的大致位置，進而利用微透鏡進行大范圍的超分辨率動態觀測成像，實現觀測目標的初步定位，最后利用掃描探針類顯微鏡探針進行精細掃描觀測成像，實現宏、微、納無縫定位觀測。
[0061]實時視覺反饋納米操作方法:在傳統原子力顯微鏡下，利用探針針尖可以對納米尺度物體進行推、拉、刻、劃、搬運等納米操作，由于沒有實時視覺反饋，操作過程不可見，因而操作結果不可控，效率低。通過本發明，在利用針尖操作后，可以利用微透鏡實時觀測探針針尖操作結果，提高了操作效率和可靠性。
【主權項】
1.基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于:包括掃描探針顯微鏡(I)和微透鏡(3);所述掃描探針顯微鏡(I)的探針(2)上設有微透鏡(3)，掃描探針顯微鏡(I)的納米定位機構(6)上設有樣品臺(5)，掃描探針顯微鏡(I)的光學顯微鏡(4)位于探針(2)以及樣品臺上方。2.根據權利要求1所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述微透鏡(3)設置于探針(2)末端。3.根據權利要求1所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述微透鏡(3)最底端位置低于探針針尖位置，或者高于探針針尖位置的距離小于I微米。4.根據權利要求1所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述掃描探針顯微鏡(I)中光學顯微鏡(4)的物鏡放大倍數大于等于20倍。5.根據權利要求1所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述掃描探針顯微鏡(I)采用原子力顯微鏡，原子力顯微鏡中光學顯微鏡(4)的物鏡(13)和鏡筒(14)間設有光路結構。6.根據權利要求5所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述光路結構為反射鏡或分束器(12)。7.根據權利要求6所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述光路結構還包括偏振分束器(10)、四分之一波片(11);所述偏振分束器(10)、四分之一波片(11)依次設于反射鏡或分束器(12)與激光器(8)之間。8.根據權利要求7所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，其特征在于所述光路結構還包括凸透鏡(16)，凸透鏡(16)設置于偏振分束器(10)與四象限光電傳感器(17)之間。9.基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像方法，其特征在于包括以下步驟: 在掃描探針顯微鏡(I)的探針上固定微透鏡(3);將樣品置于樣品臺(5)上并位于探針⑵下方； 將光學顯微鏡(4)的工作平面聚焦到微透鏡(3)的像平面上，通過掃描探針顯微鏡(I)移動探針(2)到待觀測或操作區域； 掃描探針顯微鏡(I)實時反饋探針的位置并控制探針(2)使微透鏡(3)與樣品之間保持設定的納米或微米距離，同時光學顯微鏡(4)獲取通過微透鏡(3)所呈現的超分辨率圖像并發送至計算機(19)顯示。10.根據權利要求9所述的基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像方法，其特征在于掃描探針顯微鏡⑴控制探針⑵和/或樣品臺(5)的位置，使微透鏡(3)與樣品在相對運動中實現微透鏡的動態觀測成像。
【文檔編號】G01Q60/24GK105988021SQ201510061494
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月5日
【發明人】劉連慶, 王飛飛, 于鵬, 李文榮, 劉柱, 王越超
【申請人】中國科學院沈陽自動化研究所