[发明专利]基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法及系统。

背景技术

自1764年列文虎克发明第一台光学显微镜以来，光学显微镜就一直是应用数量最多、应用领域最广的显微成像工具。1874年，阿贝提出显微镜的光学衍射极限约为200nm左右，即光学显微镜最高只能获得约200nm的分辨率。为了克服这一衍射极限，人们发明了一系列其他类型的显微镜技术，包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等，并逐渐发展形成了扫描探针显微镜（SPM）家族。虽然SEM、TEM、STM、AFM和SNOM等具有纳米级乃至原子级的分辨率，但是，SEM和TEM需要在真空下工作，无法适用于活体样品的现场观察；STM则要求样品具有导电性；AFM虽然可以实现导体与非导体的扫描成像，但它与SNOM一样，获得的是经过光电转换和电学放大的重建图像，而不是实时与直接观察到的图像。因此，就实时性、直接性及普适性而言，光学显微成像仍有不可替代的优越性。

近年来，国际上研究者对超分辨光学显微成像技术开展了研究，其中较典型的是在样品表面随机播撒微球而对样品进行超分辨显微成像的技术，其特点是可以直接获得样品的实时显微图像，而且分辨率能够突破光学衍射极限。不过，这一技术至少在几个方面尚存在明显的局限性：首先，在原理上，微球播撒在被观察样品表面，微球下端面与样品面之间的纵向距离为零，即样品位于微球焦点之内较远距离处，显然，此时的微球透镜的成像放大倍率较小，因为在焦点范围以内，样品越靠近焦点，放大倍率越大，因此，为了获得更高的放大率和分辨率，需要将微球抬离样品面一定距离，而不是将微球播撒在样品表面；其次，在方法上，现有的微球播撒方式是随机的，完全无法控制其播撒的区域，也即无法有意识地对感兴趣的样品区域有效地进行显微观察，而只能随机地观察到撒有微球的样品表面区域，因此现有技术方法很难实用化；此外，虽然微球本身是球形的，但由于其直径较小（2~10um），仍然较为锋利，因此，当微球只是随机播撒在样品表面时，不可避免地会对样品表面造成损伤，同时，播撒在样品表面的微球很难再清理干净，因而还会对样品造成污染。

总之，随着科学技术朝着尺寸更小、容量更大及速度更快的方向延伸，特别是随着微纳米技术的各个领域的快速发展，迫切需要研究和发展新的光学超分辨显微成像方法和技术；就微球显微成像技术而言，则需要在原理、方法和技术等方面不断拓展及创新，从而为实际应用提供技术基础。

为此，本发明提出了基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法，发展和建立了基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像系统。采用基于微悬臂—微球探针将微球抬离而又十分逼近样品表面的方法，以及采用基于微球—样品间原子力作用机制的微纳米反馈控制方法，将微球—样品间距控制在近场范围，配合二维步进移动台，首次实现微纳米样品的多区域、全视场、超分辨光学显微成像。本发明的基于微悬臂—微球探针的超分辨显微成像方法及系统，克服了现有微球显微成像技术的上述局限性，为发展真正意义上的微球超分辨显微成像技术及实际应用提供了新途径。

发明内容

本发明的目的是突破常规光学显微镜的衍射极限，并克服现有微球显微成像技术在微球只是随机播撒在样品表面、易损伤和污染样品、放大倍率与分辨率较低、只能对微球正下方的孤立区域显微成像等方面的局限性，提供一种基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法及系统。

基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法是：采用微悬臂与微球组合探针将微球抬离样品表面的方法及采用基于原子力的微纳米反馈控制方法，引入原子力显微镜（AFM）的微悬臂，制备出微悬臂—微球探针，将微球抬离同时又十分逼近样品表面；引入激光器、半透半反棱镜、位置探测器及压电陶瓷等，通过微纳米反馈控制将微球—样品间距控制在近场范围，突破200nm的光学衍射极限，实现样品的超分辨光学显微成像；配合步进移动台，实现微球与样品之间的横向调节，克服传统微球显微成像方法在微球只是随机播撒在样品表面、易污染和损伤样品、放大倍率与分辨率较低、只能对微球正下方的孤立区域显微成像等方面的局限性，实现微纳米样品的多区域、全视场、超分辨率光学显微成像。