Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля


Сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле ( NSOM ) или сканирование оптической микроскопии ближнего поля ( SNOM )-это метод микроскопии дальнего поля для исследования наноструктуры, которая разрушает предел разрешения путем использования свойств волн эваниценции . У Снома свет возбуждается лазерный сфокусирован через апертуру с диаметом меньше длины волны возбуждения, что приводит к исчезновенному полю (или почти полю) на дальней стороне апертуры. [ 3 ] Когда образец сканируется на небольшом расстоянии ниже апертуры, оптическое разрешение передаваемого или отраженного света ограничено только диаметром апертуры. В частности, боковое разрешение 6 нм [ 4 ] и вертикальное разрешение 2–5 нм было продемонстрировано. [ 5 ] [ 6 ]
Как и в оптической микроскопии, механизм контрастности может быть легко адаптирован для изучения различных свойств, таких как показатель преломления , химическая структура и локальный стресс. Динамические свойства также могут быть изучены в субвете, используя эту технику.
NSOM/SNOM - это форма сканирующей микроскопии зонда .
История
[ редактировать ]Эдвард Хатчинсон Синдж получает кредит за зачатие и разработку идеи для инструмента визуализации, который будет изображать, захватывающая и собирая дифракцию в ближнем поле . Его первоначальная идея, предложенная в 1928 году, была основана на использовании интенсивного почти плоского света из дуги под давлением за тонкой непрозрачной металлической пленкой с небольшим отверстием около 100 нм. Отверстие должно было оставаться в пределах 100 нм от поверхности, а информация должна была быть собрана путем точечного сканирования. Он предвидел освещение, а движение детектора - самые большие технические трудности. [ 7 ] [ 8 ] У Джона А. О'Кифа также разработали аналогичные теории в 1956 году. Он думал, что перемещение облигации или детектора, когда он так близко к образцу будет наиболее вероятной проблемой, которая может предотвратить реализацию такого инструмента. [ 9 ] [ 10 ] Это были Эш и Николс в Лондоне Университетского колледжа , которые в 1972 году сначала сломали Аббе , предел дифракции используя микроволновое излучение с длиной волны 3 см. Линейная решетка была разрешена с разрешением λ 0/60 . [ 11 ] Десять лет спустя патент на оптический микроскоп ближнего поля был подан Дитер Пол , [ 12 ] Следуя в 1984 году первой статьей, в которой использовалось видимое излучение для сканирования поля. [ 13 ] Оптический (NFO) микроскоп ближнего поля включал апертуру длины подвола на вершине металлического покрытого прозрачного кончика, а также механизм обратной связи для поддержания постоянного расстояния нескольких нанометров между образцом и зондом. Lewis et al. были также известны о потенциале микроскопа NFO в это время. [ 14 ] Они сообщили о первых результатах в 1986 году, подтверждающего супер-разрешение. [ 15 ] [ 16 ] В обоих экспериментах . можно распознать подробности ниже 50 нм (около λ 0/10)
Теория
[ редактировать ]Согласно теории формирования изображения Аббе, разработанной в 1873 году, возможность разрешения оптического компонента в конечном итоге ограничена распространением из каждой точки изображения из -за дифракции. Если апертура оптического компонента не является достаточно большой, чтобы собрать весь дифрагированный свет, более тонкие аспекты изображения не будут точно соответствовать объекту. Таким образом, минимальное разрешение (d) для оптического компонента ограничено размером апертуры и выражается критерием Рэлея :
Здесь λ 0 - длина волны в вакууме; NA - это числовая апертура для оптического компонента (максимум 1,3–1,4 для современных целей с очень высоким коэффициентом увеличения). Таким образом, предел разрешения обычно составляет около λ 0/2 для обычной оптической микроскопии. [ 17 ]
Эта обработка учитывает только свет, дифрагированный в дальнем поле, которое распространяется без каких-либо ограничений. NSOM использует еваментные или не распространяющиеся поля, которые существуют только вблизи поверхности объекта. Эти поля несут высокочастотную пространственную информацию об объекте и имеют интенсивности, которая выпадает в геометрической прогрессии с расстоянием от объекта. Из -за этого детектор должен быть расположен очень близко к образцу в ближней полевой зоне, как правило, несколько нанометров. В результате, ближняя полевая микроскопия остается в первую очередь методом проверки поверхности. Затем детектор разрабатывается по всему образцу, используя пьезоэлектрическую стадию. Сканирование может быть выполнено либо на постоянной высоте, либо с регулируемой высотой, используя механизм обратной связи. [ 18 ]
Режимы работы
[ редактировать ]Апертуру и необразная работа
[ редактировать ]
Существуют NSOM, который может работать в так называемом режиме апертуры и NSOM для работы в режиме без апертуры. Как показано, кончики, используемые в режиме без воздуха, очень острые и не имеют металлического покрытия.
Хотя существует много проблем, связанных с проведенными советами (отопление, артефакты, контраст, чувствительность, топология и вмешательство среди других), режим диафрагмы остается более популярным. Это в первую очередь потому, что режим без апертурурки еще более сложный для настройки и эксплуатации, и его также не понят. Существует пять основных режимов операции Apertued NSOM и четыре основных режима безработной работы NSOM. Основные из них проиллюстрированы в следующем рисунке.


В некоторых типах операции NSOM используются кампанильный зонд , который имеет квадратную форму пирамиды с двумя аспектами, покрытыми металлом. Такой зонд обладает высокой эффективностью сбора сигнала (> 90%) и отсутствием частоты. [ 21 ] Другая альтернатива - схемы «активного наконечника», где наконечник функционируется с активными источниками света, такими как флуоресцентный краситель [ 22 ] Или даже световой излучающий диод, который обеспечивает флуоресцентное возбуждение. [ 23 ]
Достоинства конфигураций Aperture и без апертурурки NSOM могут быть объединены в гибридной конструкции зонда, которая содержит металлический наконечник, прикрепленный к стороне конического оптического волокна. В видимом диапазоне (от 400 нм до 900 нм) около 50% падающего света может быть сосредоточено на вершине наконечника, которая составляет около 5 нм в радиусе. Этот гибридный зонд может доставлять свет возбуждения через волокно, чтобы реализовать спектроскопию комбинационного рассеяния (TERS) на вершине вершины и собирать комбинационные сигналы через одно и то же волокно. Был продемонстрирован STM-NSOM-CTERS без линзы. [ 24 ]
Механизмы обратной связи
[ редактировать ]Механизмы обратной связи обычно используются для достижения изображений с высоким разрешением и без артефактов, поскольку наконечник должен быть расположен в нескольких нанометрах поверхностей. Некоторые из этих механизмов являются обратной связью с постоянной силой и обратной связью силой сдвига
Режим обратной связи постоянной силы аналогичен механизму обратной связи, используемой при микроскопии атомной силы (AFM). Эксперименты могут быть проведены в контакте, прерывистых контактах и бесконтактных режимах.
В режиме обратной связи силы сдвига настройка вилка монтируется рядом с наконечником и создается для колебания на его резонансной частоте. Амплитуда тесно связана с расстоянием поверхности наконечника и, таким образом, используется в качестве механизма обратной связи. [ 18 ]
Контраст
[ редактировать ]Можно воспользоваться различными методами контрастности, доступными для оптической микроскопии с помощью NSOM, но с гораздо более высоким разрешением. Используя изменение поляризации света или интенсивности света в зависимости от падающей длины волны, можно использовать методы повышения контрастности, такие как окрашивание , флуоресценция , фазовый контраст и контраст дифференциального интерференции . Также можно обеспечить контраст, используя изменение показателя преломления, отражательной способности, локального напряжения и магнитных свойств среди других. [ 18 ] [ 19 ]
Инструментация и стандартная настройка
[ редактировать ]
Основными компонентами установки NSOM являются источник света, механизм обратной связи, наконечник сканирования, детектор и стадию пьезоэлектрического образца. Источник света обычно представляет собой лазер, сфокусированный на оптическом волокне через поляризатор , сплиттер луча и муфт. Поляризатор и сплиттер луча будут служить для удаления бродячих света из возвращающегося отраженного света. Сканирующее наконечник, в зависимости от режима работы, обычно представляет собой вытянутое или растянутое оптическое волокно, покрытое металлом, за исключением наконечника, или просто стандартной консольной консоли AFM с отверстием в центре пирамидального наконечника. Можно использовать стандартные оптические детекторы, такие как лавинный фотодиод , Photomultiplier Tube (PMT) или CCD . Например, высокоспециализированные методы NSOM, Raman NSOM имеют гораздо более строгие требования детектора. например, [ 19 ]
Спектроскопия ближнего поля
[ редактировать ]Как следует из названия, информация собирается спектроскопическими средствами вместо визуализации в ближнем полевом режиме. Благодаря ближней полевой спектроскопии (NFS) можно спектроскопически исследовать с разрешением длины подвола. Раман Снем и флуоресценция являются двумя из самых популярных методов NFS, поскольку они позволяют идентифицировать наноразмерные признаки с химическим контрастом. Некоторые из общих спектроскопических методов почти полевых полей приведены ниже.
Прямая локальная комбинационная NSOM основана на спектроскопии комбинационного рассеяния. Aperture Raman NSOM ограничен очень горячими и тупыми советами, а также длительным временем сбора. Тем не менее, безработный NSOM может быть использован для достижения высоких факторов эффективности рассеяния комбинационного рассеяния (около 40). Топологические артефакты затрудняют реализацию этой техники для грубых поверхностей.
Рамановская спектроскопия с усиленной кончиком (TERS) представляет собой ответвление поверхностной спектроскопии комбинационного рассеяния (SERS). Этот метод можно использовать в настройке NSOM без апертурурки или с использованием наконечника AFM, покрытого золотом или серебром. Обнаружено, что сигнал комбинационного рассеяния значительно увеличивается под наконечником AFM. Этот метод использовался для предоставления локальных вариаций в спектрах комбинационного рассеяния под одностенной нанотрубкой. Для обнаружения сигнала комбинационного рассеяния должен использоваться высокочувствительный оптоакустический спектрометр.
Флуоресценция NSOM является очень популярной и чувствительной техникой, которая использует флуоресценцию для ближнего полевого визуализации и особенно подходит для биологических применений. Техника выбора здесь - это необработанная обратно к излучению волокна в режиме постоянной силы сдвига. В этом методе используются красители на основе мероцининовой основы, встроенные в соответствующую смолу. Крайные фильтры используются для удаления всего первичного лазерного света. Разрешение всего до 10 нм может быть достигнуто с помощью этой техники. [ Цитация необходима ]
Инфракрасная спектрометрия вблизи полевой инфракрасной сети и диэлектрическая микроскопия ближнего поля [ 19 ] Используйте зонды в ближнем поле для объединения субмикронной микроскопии с локализованной ИК-спектроскопией. [ 25 ]
Нано -фут [ 26 ] Метод представляет собой широкополосную наноразмерную спектроскопию, которая сочетает в себе бесценную NSOM с широкополосным освещением и обнаружением FTIR для получения полного инфракрасного спектра в каждом пространственном месте. Чувствительность к одному молекулярному комплексу и наноразмерному разрешению до 10 нм была продемонстрирована с нано-футом. [ 27 ]
Техника нанофокусирования может создать нанометровый «белый» источник света на вершине наконечника, который можно использовать для освещения образца на ближнем поле для спектроскопического анализа. Международные оптические переходы в отдельных одностенных углеродных нанотрубках отображаются, и было зарегистрировано пространственное разрешение около 6 нм. [ 28 ]
Артефакты
[ редактировать ]NSOM может быть уязвим для артефактов, которые не из предполагаемого контрастного режима. Наиболее распространенным корнем для артефактов в NSOM являются разрыв наконечника во время сканирующего, полосатого контраста, смещенного оптического контраста, локальной концентрации света дальнего полета и топографических артефактов.
В NSOM, также известной как Snom или S-Snom, также известный как Snom или S-Snom, многие из этих артефактов устраняются или можно избежать с помощью надлежащего применения техники. [ 29 ]
Ограничения
[ редактировать ]Одним из ограничений является очень короткое рабочее расстояние и чрезвычайно мелкая глубина поле . Обычно это ограничивается поверхностными исследованиями; Тем не менее, это может быть применено для подземных исследований в соответствии с соответствующей глубиной поля. В режиме сил сдвига и другой операции контакта это не способствует изучению мягких материалов. Он имеет длительное время сканирования для больших площадей выборки для визуализации с высоким разрешением. [ Цитация необходима ]
Дополнительным ограничением является преобладающая ориентация поляризационного состояния опробованного света в ближнем поле сканирующей кончики. Металлические кончики сканирования естественным образом ориентированы на состояние поляризации перпендикулярно поверхности образца. Другие методы, такие как анизотропная терагерц-микроспектроскопия, используют в плоскости поляриметрию для изучения физических свойств, недоступных к оптическим микроскопам в ближнем поле, включая пространственную зависимость внутримолекулярных колебаний в анизотропных молекулах.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Herzog JB (2011). Оптическая спектроскопия коллоидных полупроводниковых наноструктур CDSE (PDF) (кандидатская диссертация). Университет Нотр -Дам.
- ^ Bao W, Borys NJ, Ko C, Suh J, Fan W, Thron A, et al. (Август 2015). «Визуализация наноразмерных экситонных релаксационных свойств неупорядоченных краев и границ зерна в дисульфиде молибдена» . Природная связь . 6 : 7993. Bibcode : 2015natco ... 6.7993b . doi : 10.1038/ncomms8993 . PMC 4557266 . PMID 26269394 .
- ^ "Сном || witec" . Witec Scientific Instruments and Technology GmbH . Ульм Германия . Получено 2017-04-06 .
- ^ Ma X, Liu Q, Yu N, Xu D, Kim S, Liu Z, et al. (Ноябрь 2021 г.). «Спектроскопическая визуализация углеродных нанотрубков с использованием нанометрового источника белого света» . Природная связь . 12 (1): 6868. Arxiv : 2006.04903 . Bibcode : 2021natco..12.6868m . doi : 10.1038/s41467-021-27216-5 . PMC 8617169 . PMID 34824270 .
- ^ Дюриг У, Пол Д.В., Ронер Ф. (1986). «Оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля». Журнал прикладной физики . 59 (10): 3318. Bibcode : 1986Jap .... 59.3318d . doi : 10.1063/1.336848 .
- ^ Oshikane Y, Kataoka T, Okuda M, Hara S, Inoue H, Nakano M (апрель 2007 г.). «Наблюдение на наноструктуре путем сканирования оптического микроскопа ближнего поля с небольшим зондом сферы» (свободный доступ) . Наука и технология передовых материалов . 8 (3): 181. Bibcode : 2007 Stadm ... 8..181o . doi : 10.1016/j.stam.2007.02.013 .
- ^ Synge EH (1928). «Предложенный метод расширения микроскопического разрешения в ультрамикроскопическую область». Фил. Маг 6 (35): 356. DOI : 10.1080/14786440808564615 .
- ^ Synge EH (1932). «Применение пьезоэлектричества к микроскопии». Фил. Маг 13 (83): 297. doi : 10.1080/14786443209461931 .
- ^ О'Киф Дж. (1956). «Письма в редактор». J. Opt. Соц Являюсь . 46 (5): 359. Bibcode : 1956josa ... 46..359.
- ^ «Краткая история и простое описание технологии NSOM/SNOM» . Nanonics Inc. 12 октября 2007 г.
- ^ Ash Ea, Nicholls G (июнь 1972 г.). «Сканирующее микроскоп супер-разрешения». Природа . 237 (5357): 510–512. Bibcode : 1972natur.237..510a . doi : 10.1038/237510A0 . PMID 12635200 . S2CID 4144680 .
- ^ EP Патент 0112401 , Pohl DW, «Оптический ближний сканирующий микроскоп», опубликован в 1987-04-22, выпущен 1982-12-27, назначенный IBM.
- ^ Пол Д.В., Денк В., Ланц М. (1984). «Оптическая стетоскопия: запись изображения с разрешением λ/20» . Прикладные физические буквы . 44 (7): 651. Bibcode : 1984apphl..44..651p . doi : 10.1063/1,94865 .
- ^ Льюис А.М., Исааксон М., Харуотуниан А., Мурай А (1984). «Разработка светового микроскопа пространственного разрешения 500 Å. I. Свет эффективно передается через апертуры диаметра λ/16». Ультрамикроскопия . 13 (3): 227. doi : 10.1016/0304-3991 (84) 90201-8 .
- ^ Бетциг Э., Льюис А., Харуотуниан А., Исааксон М., Крачшмер Е (январь 1986 г.). «Сканирующая оптическая микроскопия (NSOM): развитие и биофизическое применение» . Биофизический журнал . 49 (1): 269–279. Bibcode : 1986bpj .... 49..269b . doi : 10.1016/s0006-3495 (86) 83640-2 . PMC 1329633 . PMID 19431633 .
- ^ Harootunian A, Betzig E, Isaacson M, Lewis A (1986). «Флуоресцентная флуоресценция в супер-разрешении, сканирующая оптическая микроскопия». Прикладные физические буквы . 49 (11): 674. Bibcode : 1986apphl..49..674h . doi : 10.1063/1,97565 .
- ^ Хехт Э. (2002). Оптика . Сан -Франциско: Аддисон Уэсли. ISBN 978-0-19-510818-7 .
- ^ Jump up to: а беременный в Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля. Olympus America Inc. 12 октября 2007 г.
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и Каупп Г. (2006). Атомная силовая микроскопия, сканирование оптической микроскопии и наноскращения вблизи поля: применение на грубых и естественных поверхностях . Гейдельберг: Спрингер. ISBN 978-3-540-28405-5 .
- ^ Jump up to: а беременный Введение в NSOM. Оптическая лаборатория, Университет штата Северная Каролина. 12 октября 2007 г.
- ^ Bao W, Melli M, Casell N, Ribloli F, Werersma DS, Staffroni M, et al. (Декабрь 2012 г.). «Картирование локальной рекомбинации рекомбинации обшивки с помощью многомерной наносптроскопической визуализации» Наука . 338 (6112): 1317–1 Bibcode : 2012sci ... 338.1317b Doi : 10.1126/ science.1227977 23224550PMID 12220003S2CID
- ^ Michaelis J, Hettich C, Mlynek J, Sandoghdar V (май 2000). «Оптическая микроскопия с использованием одномолекулярного источника света». Природа . 405 (6784): 325–328. Bibcode : 2000natur.405..325M . doi : 10.1038/35012545 . PMID 10830956 . S2CID 1350535 .
- ^ Хошино К., Гопал А., Глаз М.С., Ванден Боут Д.А., Чжан Х (2012). «Наноразмерная флуоресцентная визуализация с квантовой точкой вблизи полного поля». Прикладные физические буквы . 101 (4): 043118. BIBCODE : 2012APPHL.101D3118H . doi : 10.1063/1,4739235 .
- ^ Kim S, Yu N, Ma X, Zhu Y, Liu Q, Liu M, Yan R (2019). «Высокая внешняя нанофокусировка для оптической наноскопии без линз в ближнем поле». Природа фотоника . 13 (9): 636–643. Bibcode : 2019napho..13..636K . doi : 10.1038/s41566-019-0456-9 . ISSN 1749-4893 . S2CID 256704795 .
- ^ Поллок Х.М., Смит Д.А. (2002). «Использование зондов ближнего поля для вибрационной спектроскопии и фототермической визуализации». В Chalmers JM, Griffiths PR (ред.). Справочник по вибрационной спектроскопии . Тол. 2. С. 1472–92.
- ^ Huth F, Govyadinov A, Amarie S, Nuansing W, Keilmann F, Hillenbrand R (август 2012 г.). «Спектроскопия поглощения нано-футов молекулярных отпечатков пальцев при пространственном разрешении 20 нм». Нано буквы . 12 (8): 3973–3978. Bibcode : 2012nanol..12.3973h . doi : 10.1021/nl301159v . PMID 22703339 .
- ^ Amenabar I, Poly S, Nuansing W, Hubrich EH, Govyadinov AA, Huth F, et al. (2013-12-04). «Структурный анализ и картирование отдельных белковых комплексов с помощью инфракрасной наноспектроскопии» . Природная связь . 4 : 2890. Bibcode : 2013natco ... 4.2890a . doi : 10.1038/ncomms3890 . PMC 3863900 . PMID 24301518 .
- ^ Ma X, Liu Q, Yu N, Xu D, Kim S, Liu Z, et al. (Ноябрь 2021 г.). «Спектроскопическая визуализация углеродных нанотрубков с использованием нанометрового источника белого света» . Природная связь . 12 (1): 6868. Bibcode : 2021natco..12.6868m . doi : 10.1038/s41467-021-27216-5 . PMC 8617169 . PMID 34824270 .
- ^ Ocelic N, Huber A, Hillenbrand R (2006-09-04). «Обнаружение псевтогетеродина для неправой спектроскопии в ближнем поле». Прикладные физические буквы . 89 (10): 101124. Bibcode : 2006apphl..89j1124o . doi : 10.1063/1,2348781 . ISSN 0003-6951 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Снемк сканировать галерею изображений на машине Wayback (архивировано 2 октября 2008 г.)