欧盟正资助一种全新的光学显微镜策略——ChipScope

欧盟资助的项目ChipScope的研究人员现在正在开发一种全新的光学显微镜策略。

  半个世纪以来,人们一直在尝试通过技术手段来增强人们的视野。虽然人眼能够识别各种尺寸的特征,但当在巨大距离或微世界和纳米世界中凝视物体时,它已达到极限。欧盟资助的项目ChipScope的研究人员现在正在开发一种全新的光学显微镜策略。

ChipScope –光学显微镜的新方法.jpg

  传统的光学显微镜仍然是实验室的标准设备,是光学基本原理的基础。因此,通过衍射将分辨率限制在所谓的“阿贝限度”(Abbe limit)–这种显微镜无法分辨最小200纳米的结构特征。

  到目前为止,所有超出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架构。在大多数配置中,即使是常规的光学显微镜也不适合用作在现场或偏远地区进行研究的移动式小工具。在由欧盟资助的ChipScope项目中,探索了一种全新的光学显微镜策略。在经典的光学显微镜中,被分析的样品区域被同时照射,用区域选择检测器(例如人眼或照相机的传感器)收集从每个点散射的光。

  相反,在ChipScope构想中,使用了具有微小且可单独寻址的元素的结构化光源。如图所示,样本位于此光源的顶部,非常靠近。无论何时激活单个发射器,光的传播都取决于样品的空间结构,这与宏观世界中所谓的阴影成像非常相似。为了获得图像,通过检测器感测透射通过样品区域的全部光量,一次激活一个光元素,从而扫描整个样品空间。如果发光元件的尺寸在纳米范围内,并且样品与它们紧密接触,则光学近场具有相关性,并且基于芯片的设置可能会实现超分辨率成像。

  为了实现这个替代想法,需要大量创新技术。结构化光源是由德国不伦瑞克工业大学开发的微型发光二极管(LED)实现的。由于与其他照明系统(例如经典灯泡或基于卤素的发射器)相比,LED具有卓越的特性,因此在过去的几十年中,LED征服了通用照明应用市场。但是,到目前为止,还没有商业化的结构化的LED阵列,其像素可低至亚微米级。

  在ChipScope项目框架内,此任务属于不伦瑞克工业大学的职责。如图所示,研究人员已经展示了首批像素尺寸低至1 µm的LED阵列。它们基于氮化镓(GaN),氮化镓是一种常用于蓝色和白色LED 的半导体材料。这类LED的可控结构(直至亚微米级)极具挑战性。它是通过光电子照相平版印刷术进行的,其中半导体的结构是通过光学荫罩或聚焦电子束高精度地定义的。

  作为进一步的组件,显微镜原型需要高灵敏度的光检测器。巴塞罗那大学的A. Dieguez教授小组在这里开发了所谓的单光子雪崩检测器(SPAD),它可以检测到非常低的光强度,甚至可以检测到单光子。已经对那些集成在ChipScope显微镜原型中的探测器进行了首次测试,并显示出令人鼓舞的结果。

  此外,将标本带入结构化光源附近的方法对于正确的显微镜操作至关重要。实现这一目标的一项成熟技术是利用微流体通道,其中精细的通道系统被构造成聚合物基质。使用高精度泵,微量液体被驱动通过该系统,并将样本带到目标位置。

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