專利名稱:基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)。
背景技術：
自1764年列文虎克發(fā)明第一臺光學顯微 鏡以來,光學顯微鏡就一直是應用數(shù)量最多、應用領域最廣的顯微成像工具。1874年，阿貝提出顯微鏡的光學衍射極限約為200nm左右，即光學顯微鏡最高只能獲得約200nm的分辨率。為了克服這一衍射極限，人們發(fā)明了一系列其他類型的顯微鏡技術，包括透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)等，并逐漸發(fā)展形成了掃描探針顯微鏡(SPM)家族。雖然SEM、TEM、STM、AFM和SNOM等具有納米級乃至原子級的分辨率，但是，SEM和TEM需要在真空下工作，無法適用于活體樣品的現(xiàn)場觀察；STM則要求樣品具有導電性；AFM雖然可以實現(xiàn)導體與非導體的掃描成像，但它與SNOM—樣，獲得的是經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和電學放大的重建圖像，而不是實時與直接觀察到的圖像。因此，就實時性、直接性及普適性而言，光學顯微成像仍有不可替代的優(yōu)越性。
近年來，國際上研究者對超分辨光學顯微成像技術開展了研究，其中較典型的是在樣品表面隨機播撒微球而對樣品進行超分辨顯微成像的技術，其特點是可以直接獲得樣品的實時顯微圖像，而且分辨率能夠突破光學衍射極限。不過，這一技術至少在幾個方面尚存在明顯的局限性首先，在原理上，微球播撒在被觀察樣品表面，微球下端面與樣品面之間的縱向距離為零，即樣品位于微球焦點之內(nèi)較遠距離處，顯然，此時的微球透鏡的成像放大倍率較小，因為在焦點范圍以內(nèi)，樣品越靠近焦點，放大倍率越大，因此，為了獲得更高的放大率和分辨率，需要將微球抬離樣品面一定距離，而不是將微球播撒在樣品表面；其次，在方法上，現(xiàn)有的微球播撒方式是隨機的，完全無法控制其播撒的區(qū)域，也即無法有意識地對感興趣的樣品區(qū)域有效地進行顯微觀察，而只能隨機地觀察到撒有微球的樣品表面區(qū)域，因此現(xiàn)有技術方法很難實用化；此外，雖然微球本身是球形的，但由于其直徑較小(2^10um),仍然較為鋒利，因此，當微球只是隨機播撒在樣品表面時，不可避免地會對樣品表面造成損傷，同時，播撒在樣品表面的微球很難再清理干凈，因而還會對樣品造成污染。
總之，隨著科學技術朝著尺寸更小、容量更大及速度更快的方向延伸，特別是隨著微納米技術的各個領域的快速發(fā)展，迫切需要研究和發(fā)展新的光學超分辨顯微成像方法和技術；就微球顯微成像技術而言，則需要在原理、方法和技術等方面不斷拓展及創(chuàng)新，從而為實際應用提供技術基礎。
為此，本實用新型提出了基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像方法，發(fā)展和建立了基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)。采用基于微懸臂一微球探針將微球抬離而又十分逼近樣品表面的方法，以及采用基于微球一樣品間原子力作用機制的微納米反饋控制方法，將微球一樣品間距控制在近場范圍，配合二維步進移動臺，首次實現(xiàn)微納米樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨光學顯微成像。本實用新型的基于微懸臂一微球探針的超分辨顯微成像方法及系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有微球顯微成像技術的上述局限性，為發(fā)展真正意義上的微球超分辨顯微成像技術及實際應用提供了新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是突破常規(guī)光學顯微鏡的衍射極限，并克服現(xiàn)有微球顯微成像技術在微球只是隨機播撒在樣品表面、易損傷和污染樣品、放大倍率與分辨率較低、只能對微球正下方的孤立區(qū)域顯微成像等方面的局限性，提供一種基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)?；谖冶叟c微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)包括成像裝置和光信號檢測及電路控制回路，成像裝置包括微球、微懸臂、樣品、半透半反棱鏡、物鏡、接筒、鏡筒、CCD、微懸臂座、壓電陶瓷、墊塊、安裝塊、激光器、位置探測器、步進移動臺、步進電機、開孔、聚光鏡、光源、燈框、支架、橫梁、三角塊、立柱、底座；
微球與微懸臂構成的微懸臂與微球組合探針，通過微懸臂座安裝在壓電陶瓷下端，壓電陶瓷上端通過墊塊固定在安裝塊上，安裝塊與物鏡固定在一起，半透半反棱鏡、物鏡、接筒、鏡筒、C⑶順次裝配，并通過接筒安裝在橫梁上，橫梁通過三角塊固定在立柱上，立柱安裝在底座上，激光器與位置探測器固定在支架上，支架固定在安裝塊上，樣品安裝在步進移動臺上，由步進電機驅(qū)動，步進移動臺中間有一開孔，開孔內(nèi)部安裝有聚光鏡，步進移動臺安裝在底座上，光源安裝在底座的燈框內(nèi)；
光信號檢測及電路控制回路包括電流電壓轉(zhuǎn)換器、PID反饋控制模塊、高壓放大器、步進驅(qū)動模塊、計算機及接口 ；
PID反饋控制模塊分別與電流電壓轉(zhuǎn)換器、高壓放大器、計算機及接口相連，步進電機、步進驅(qū)動模塊、計算機及接口順次相連，計算機及接口與CCD相連，PID反饋控制模塊與激光器相連，電流電壓轉(zhuǎn)換器與位置探測器相連，高壓放大器與壓電陶瓷相連。
本實用新型首次提出基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像方法，制備出微懸臂與微球組合探針，將微球抬離同時又十分逼近樣品表面；首次通過微納米反饋控制將微球一樣品間距控制在近場范圍，突破光學衍射極限，實現(xiàn)樣品的超分辨光學顯微成像；配合步進移動臺，實現(xiàn)微球與樣品之間的橫向調(diào)節(jié)，克服傳統(tǒng)微球顯微成像方法在微球只是隨機播撒在樣品表面、污染和損傷樣品、放大倍率與分辨率較低、只能對微球正下方的孤立區(qū)域顯微成像等方面的局限性，實現(xiàn)微納米樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨率光學顯微成像。


圖I是基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)結構示意圖；
圖2是本實用新型的成像裝置示意圖；
圖3是微懸臂一微球探針的放大結構及其與樣品之間的橫向(水平位置)和縱向(間距S)調(diào)節(jié)控制示意圖；
圖中成像裝置I、電流電壓轉(zhuǎn)換器2、PID反饋控制模塊3、高壓放大器4、步進驅(qū)動模塊5、計算機及接口 6、微球7、微懸臂8、樣品9、半透半反棱鏡10、物鏡11、接筒12、鏡筒13、(XD14、微懸臂座15、壓電陶瓷16、墊塊17、安裝塊18、激光器19、位置探測器20、步進移動臺21、步進電機22、開孔23、聚光鏡24、光源25、燈框26、支架27、橫梁28、三角塊29、立柱30、底座31。
具體實施方式
基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像方法是采用微懸臂與微球組合探針將微球抬離樣品表面的方法及采用基于原子力的微納米反饋控制方法，引入原子力顯微鏡(AFM)的微懸臂，制備出微懸臂一微球探針，將微球抬離同時又十分逼近樣品表面；引入激光器、半透半反棱鏡、位置探測器及壓電陶瓷等，通過微納米反饋控制將微球一樣品間距控制在近場范圍，突破200nm的光學衍射極限， 實現(xiàn)樣品的超分辨光學顯微成像；配合步進移動臺，實現(xiàn)微球與樣品之間的橫向調(diào)節(jié)，克服傳統(tǒng)微球顯微成像方法在微球只是隨機播撒在樣品表面、易污染和損傷樣品、放大倍率與分辨率較低、只能對微球正下方的孤立區(qū)域顯微成像等方面的局限性，實現(xiàn)微納米樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨率光學顯微成像。
如圖1、2所示，基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)包括成像裝置I和光信號檢測及電路控制回路，成像裝置I包括微球7、微懸臂8、樣品9、半透半反棱鏡10、物鏡11、接筒12、鏡筒13、(XD14、微懸臂座15、壓電陶瓷16、墊塊17、安裝塊18、激光器19、位置探測器20、步進移動臺21、步進電機22、開孔23、聚光鏡24、光源25、燈框26、支架27、橫梁28、三角塊29、立柱30、底座31 ；
微球7與微懸臂8構成的微懸臂與微球組合探針，通過微懸臂座15安裝在壓電陶瓷16下端，壓電陶瓷16上端通過墊塊17固定在安裝塊18上，安裝塊18與物鏡11固定在一起，半透半反棱鏡10、物鏡11、接筒12、鏡筒13、(XD14順次裝配，并通過接筒12安裝在橫梁28上，橫梁28通過三角塊29固定在立柱30上，立柱30安裝在底座31上，激光器19與位置探測器20固定在支架27上，支架27固定在安裝塊18上，樣品9安裝在步進移動臺21上，由步進電機22驅(qū)動，步進移動臺21中間有一開孔23，開孔23內(nèi)部安裝有聚光鏡24，步進移動臺21安裝在底座31上，光源25安裝在底座31的燈框26內(nèi)；
光信號檢測及電路控制回路包括電流電壓轉(zhuǎn)換器2、PID反饋控制模塊3、高壓放大器4、步進驅(qū)動模塊5、計算機及接口 6 ；
PID反饋控制模塊3分別與電流電壓轉(zhuǎn)換器2、高壓放大器4、計算機及接口 6相連，步進電機22、步進驅(qū)動模塊5、計算機及接口 6順次相連，計算機及接口 6與(XD14相連，PID反饋控制模塊3與激光器19相連，電流電壓轉(zhuǎn)換器2與位置探測器20相連，高壓放大器4與壓電陶瓷16相連。
如圖3所示，采用微納米操縱等方法自行制備的微懸臂與微球組合探針，將微球7固定在微懸臂8外端的側(cè)面，并將微球抬離而又十分逼近樣品9的表面；在近場范圍內(nèi)，由于微球的“超透鏡”效應，可以突破光學衍射極限，獲得樣品的超分辨圖像，而且，由于微球被微懸臂抬離樣品表面(而不是隨機播撒在樣品表面)，因此可獲得更高的放大倍率及分辨率。需要指出，雖然微球固定在微懸臂外端的側(cè)面，但由于微懸臂是V字形的穩(wěn)定對稱結構，因此在微球與樣品間的原子力作用下，微懸臂主要發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)(而不是左右扭曲)?；谖⑶蚺c樣品間原子力作用及微懸臂的偏轉(zhuǎn)量，即可通過反饋方法將微球一樣品間距S控制在近場范圍，從激光器19發(fā)出的激光，經(jīng)半透半反棱鏡10后聚焦到微懸臂8的外端，從微懸臂8反射的光束，再經(jīng)半透半反棱鏡10后照射到位置探測器20上形成反射光斑，由于微球一樣品之間的原子力作用，微懸臂8外端發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使位置探測器20上的反射光斑位置發(fā)生改變，從而使輸出光電流發(fā)生改變，電流電壓轉(zhuǎn)換器2將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號,根據(jù)這一電壓信號的大小，PID反饋控制模塊3與高壓放大器4控制壓電陶瓷16的Z向伸長或縮短，從而帶動微懸臂8和微球7在Z向上升或下降，據(jù)此將微球一樣品間距S控制在近場范圍，突破衍射極限，用微球7作為“超透鏡”，實現(xiàn)樣品9的超分辨顯微成像。與此同時，安裝在步進移動臺21上的樣品9，可在計算機及接口 6、步進驅(qū)動模塊5與步進電機22的控制下，隨步進移動臺21相對于微球7作橫向(XY平面)移動，并借助于微納米反饋，始終將微球一樣品間距S控制在近場范圍，從而使樣品9的不同區(qū)域都可由微球7實現(xiàn)超分辨顯微成像，據(jù)此最終實現(xiàn)微納米樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨率光學顯微成像。
總之，本實用新型的基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像方法及系統(tǒng)，采用微懸臂與微球組合探針將微球抬離而又十分逼近樣品表面的方法，同時采用基于原子力的微納米反饋控制方法，將微球一樣品間距控制在近場范圍，突破200nm的衍射極限，實現(xiàn)超分辨顯微成像。本實用新型首次提出和實現(xiàn)基于微懸臂與微球組合探針的超分辨率光學顯微成像方法，克服了傳統(tǒng)微球顯微成像方法在微球只是隨機播撒在樣品表面、易污染和損傷樣品、放大倍率與分辨率較低、只能對微球正下方的孤立區(qū)域顯微成像等方面的局限性，真正實現(xiàn)微納米樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨率光學顯微成像，為廣泛的實際應用 提供了新的方法與技術基礎。
權利要求
1.一種基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)，其特征在于包括成像裝置(I)和光信號檢測及電路控制回路，成像裝置(I)包括微球(7)、微懸臂(8)、樣品(9)、半透半反棱鏡(10)、物鏡(11)、接筒(12)、鏡筒(13)、CCD (14)、微懸臂座(15)、壓電陶瓷(16)、墊塊(17)、安裝塊(18)、激光器(19)、位置探測器(20)、步進移動臺(21)、步進電機(22)、開孔(23)、聚光鏡(24)、光源(25)、燈框(26)、支架(27)、橫梁(28)、三角塊(29)、立柱(30)、底座(31)； 微球(7)與微懸臂(8)構成的微懸臂與微球組合探針，通過微懸臂座(15)安裝在壓電陶瓷(16)下端，壓電陶瓷(16)上端通過墊塊(17)固定在安裝塊(18)上，安裝塊(18)與物鏡(11)固定在一起，半透半反棱鏡(10)、物鏡(11)、接筒(12)、鏡筒(13)、CCD (14)順次裝配，并通過接筒(12)安裝在橫梁(28 )上，橫梁(28 )通過三角塊(29 )固定在立柱(30 )上，立柱(30)安裝在底座(31)上，激光器(19)與位置探測器(20)固定在支架(27)上，支架(27)固定在安裝塊(18)上，樣品(9)安裝在步進移動臺(21)上，由步進電機(22)驅(qū)動，步進移動臺(21)中間有一開孔(23)，開孔(23)內(nèi)部安裝有聚光鏡(24)，步進移動臺(21)安裝在底座(31)上，光源(25)安裝在底座(31)的燈框(26)內(nèi)； 光信號檢測及電路控制回路包括電流電壓轉(zhuǎn)換器(2)、PID反饋控制模塊(3)、高壓放大器(4)、步進驅(qū)動模塊(5)、計算機及接口(6)； PID反饋控制模塊(3)分別與電流電壓轉(zhuǎn)換器(2)、高壓放大器(4)、計算機及接口(6)相連，步進電機(22)、步進驅(qū)動模塊(5)、計算機及接口(6)順次相連，計算機及接口(6)與CXD (14)相連，PID反饋控制模塊(3 )與激光器(19 )相連，電流電壓轉(zhuǎn)換器(2 )與位置探測器(20)相連，高壓放大器(4)與壓電陶瓷(16)相連。
專利摘要
本實用新型公開了一種基于微懸臂與微球組合探針的超分辨顯微成像系統(tǒng)。它具有由微懸臂與微球組合探針、壓電陶瓷、激光器、半透半反棱鏡、位置敏感元件、步進移動臺、物鏡、CCD等組成的超分辨顯微成像裝置，以及由電流電壓轉(zhuǎn)換器、反饋控制模塊、高壓放大器、步進控制器、計算機及接口等組成的控制系統(tǒng)。采用微懸臂與微球組合探針將微球抬離而又十分逼近樣品表面的方法及采用基于原子力的微納米反饋控制方法，將微球—樣品間距控制在近場范圍，實現(xiàn)超分辨光學顯微成像。本實用新型的優(yōu)點是提出基于微懸臂—微球探針的超分辨顯微成像新方法，實現(xiàn)樣品的多區(qū)域、全視場、超分辨光學顯微成像，突破光學衍射極限，克服了傳統(tǒng)微球顯微成像技術在諸多等方面的局限性。
文檔編號G01Q60/06GKCN202794222SQ201220297739
公開日2013年3月13日 申請日期2012年6月25日
發(fā)明者李甸, 王淑瑩, 章海軍, 張冬仙 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan