隐失驻波、负折射材料(NIM)在全内反射荧光显微术下的综合应用.docx

张正德：隐失驻波、负折射材料（NIM）在全内反射荧光显微术下的综合应用隐失驻波、负折射材料（NIM）在全内反射荧光显微术下的综合应用11191050张正德（北京航空航天大学，北京102206）摘要：针对隐失波最新发展及应用，查阅了前人所写论文 (蒋练军、金辉霞, 2006) (王琛、王桂英、徐至展, 2004) (王晓秋、吴世法、简国树、王克逸、王景芝、潘石, 2003) (王琛、王桂英、徐至展, 全内反射荧光显微术, 2002) (范路生、薛轶群、王晓华、王钦丽、林金星, 2011)，综合考虑到负折射率材料对隐失波振幅的增益和两束光波全内反射形成的隐失驻波，可做如下设想：采用隐失驻波照亮荧光标记样本并采用负折射率材料制成的扁平镜头用以显微镜聚焦，可以达到分子级别的小范围照亮和高分辨率测量。关键词：隐失波、负折射率材料、全内反射、超显微技术Abstract:According to the evanescent wave the latest development and application, refer to the previous paper .Comprehensive considering the negative refractive index material on evanescent wave amplitude gain and two beam of light wave total internal reflection formation of evanescent standing wave, can play the following ideas: the evanescent standing wave light fluorescent marker sample and the negative refractive index material made of flat lens to focus microscope, can achieve the molecular level of small range light and high resolution measurement.Key words:Evanescent wave, Negative refractive Index Materials(NIM), Total internal reflection, Ultra micro technology 0引言(引用自 (王琛、王桂英、徐至展, 全内反射荧光显微术, 2002)自世界上第一台光学显微镜问世以来，显微科学取得了迅猛的发展。人们逐渐地改进了成像质量，而且各种新的光学显微镜也应运而生，如偏振光显微镜、相差显微镜、倒置显微镜。但是传统的光学显微镜由于受到光瞳远场衍射效应的影响，存在分辨极限，瑞利将之归纳为R0.61NA，其中为成像光波波长，NA为物透镜的数值孔径。因此，对可见光来说，光学显微镜空间分辨极限250nm。从应用的角度，传统的光学显微术无法满足更高的分辨率要求。扫描近场光学显微镜（SNOM）通过光探针探测样品表面隐失波的超高频信息，可获得纳米尺度的分辨图像，并可对生物样品进行无损探测，维持生物样品的活性，并能给出样品的形貌图像和折射率图像。仅采用隐失波全内反射荧光显微术，它的荧光激发深度就能达到100nm的薄层范围内，从而成为研究细胞表面科学如生物化学动力学、单分子动力学的最有前途的光学成像技术。而采用隐失驻波和负折射材料技术，能将空间分辨率将至100nm以下。1全内反射及隐失波当光波从光密介质到光疏介质传播，且入射角大于临界角时，就会发生全反射。考虑光波从玻璃（折射率取为1.52）表面射入溶液（折射率取为1.33）中的情形，当发生全反射时，光会在界面上完全反射而不进入液体溶液中。这是我们一液中，在平行界面方向传播一段距离，如图表 1在垂直界面向溶液方向光强随着与界面距离增加成指数递减。Incident beamReflected beamEvanescent waven1n2图表 Error! Main Document Only.Ix=Ioe-1d人们定义隐失波进入样品的深度d为其强度衰减37时的深度d=4n2sinsine2-1由于隐失波在两种介质界面处的衰减，它只能激发样品靠近盖玻片处的一薄层区域内(大约(100200 nm)的荧光基团，因此有更高的信噪比，使其在z轴的分辨率得到显著提高。2全内反射荧光显微术（TIRFM）由于发生全内反射时，在低折射率介质中隐失波的典型渗透深度一般在100nm量般所理解的全反射。然而，由于波动效应，光会有一部分能量穿过界面渗透到溶级。如果样品紧贴界面放置，则隐失波对样品的垂直照射深度也为100nm，只有这个小范围内的荧光分子将被激发，而在这个范围以外的荧光分子则完全不受影响。(引用自 (王琛、王桂英、徐至展, 全内反射荧光显微术, 2002)到目前，科学家们已发展了多种全内反射荧光显微成像系统。其中最为普遍的两种类型是如棱镜型和物镜型，下面之讨论棱镜型，棱镜型系统在实现上更加容易，它只需要激光光源、棱镜和显微镜如图表 2。在探测上，它也不容易受到入射光信号的干扰，但是放置样品的空间收到棱镜的限制。MicroscopeSpecimen图表 Error! Main Document Only.1995年，Yanagida等人首次使用这种显微镜，将单位时间（以S为单位）单位区域（以一个衍射极限面积为单位，为0.25m0.25m）内的背景信号降低到3个光子。成功的得到了液体中荧光标记的单个肌动球蛋白分子的成像，并直接探测到单个567酶翻转反应。从此拉开了全内反射荧光显微术的单分子视见研究的序幕。从以下棱镜型全内反射显微镜的示意图图表 3中，我们可看到这套系统包括三个主要的部分:（1）倒置的相衬光学显微镜；（2）可以二维精确移动的样品台；（3）用来发生全反射的棱镜。MirrorDiaphragmPolarizerxyzMicroscopeObjective图表 Error! Main Document Only.从激光器出来的光以精确选定的入射角入射到棱镜上，在载玻片的表面发生全反射（棱镜与玻片之间配以折射率匹配的浸没油）。产生的隐失波激发位于两玻片之间的样品，发射出荧光。荧光信号由一个高数值孔径的物镜收集，经过相应的成像放大系统，最后被探测器（如CCD）接收。后来，东京大学的Yoshikaza等人把这种全内反射显微成像技术与基于棱镜的光谱技术结合起来，在光路中插入色散棱镜，利用其色散特性将成像扩展开来，从而达到更高的分辨率。在此基础上，我想在Microscope处加上由负折射率材料制成的镜头，将隐失波聚焦之后再成像，然后被显微镜探测到。关于负折射材料对隐失波振幅的增益推论过程就不在次列出，直接给出结论。3负折射材料对隐失波振幅的增益的结论（引用于 (蒋练军、金辉霞, 2006)）对于真空中平行偏振波，有：lim-1-1T=e-jkzd 由于kz=1+jkx2+ky2-2，所以无论对于垂直偏振波、平行极化偏振波还是两者的叠加，折射系数T的模都是正值。因此可见，负折射材料对隐失波有幅度增益，行波和隐失波均能聚焦成像，而且波的汇聚也不在受小于波长尺度这一条件限制。由于负折射率材料具有的这些性质，因而可以用它制造扁平的镜头，聚焦的精度可以达到小于光本身的波长，这样就可以制造分辨率极高的新型显微镜，也可以制造新颖的光子器件，采用金属纳米材料后甚至可以检测单个物质分子，这是采用常规光学技术根本不可能实现的。4隐失波的干涉（引用于 (王琛、王桂英、徐至展, 隐失驻波全内反射荧光显微术的数值计算, 2004)）直接给出结论）如果将两束隐失波进行干涉，经推导可得隐失波产生的干涉场不同于普通波的干涉场，其特点为：1.两个波长同为的传播场的干涉，干涉条纹的空间周期约为/2，而两个波长同为的传播波形成的隐失场，其干涉条纹的空间周期约为2k1+k2=2n1。一方面通过改变发成全反射介质的折射率n1，很容易改变隐失波干涉场的空间频率，另一方面典型隐失场的干涉条纹周期可达到100nm左右，即此干涉场中包含超衍射场的空间频率分量。2.传播场干涉条纹的反衬度只与两光束的振幅之比A1：A2有关，而隐失干涉场的反衬度要复杂的多，需根据不同入射情况而讨论。5隐失驻波激发下分辨率提高的结论（引用于 (王琛、王桂英、徐至展, 隐失驻波全内反射荧光显微术的数值计算, 2004)）由于全内反射产生的隐失波的独特特性，使得两束隐失波形成的干涉场也具有与传播波的干涉场显著不同的特点：它具有比普通干涉场高的多的空间频率；不同的偏振光入射时，其产生的隐失干涉场具有不同的相位移动。利用这种隐失干涉场，即隐失驻波照明可以提高系统的分辨力，实现横向的超经典分辨。分析表明，两束光以相等的角度入射，同时振幅相等，偏振态相同，所形成干涉条纹的反衬度最高，y一1，此时成像系统的有效点扩展函数最优化；入射介质l的折射率越大，隐失干涉场的空间周期越短(空间频率越高)，其对应的调制点扩展函数中心瓣的半蜂全宽越小，可能分辨更小的物体，但同时旁瓣的强度也增强，最终成像的分辨力受两者的共同制约。6结论理论上，采用隐失波荧光显微技术，让隐失波激发为隐失驻波，照射样品，再由负折射率材料制成透镜让隐失驻波激发样品所产生的荧光得到聚焦，可以提高分辨率到100nm以上，对隐失波显微术应用于生物医学探测细胞内部机理将有更进一步的提高。对于进一步的理论推导，还需今后做实验予以验证。引用论文范路生、薛轶群、王晓华、王钦丽、林金星. (2011年2月). 隐失波荧光显微镜及其在植物细胞生物学中的应用. 电子显微学报Journal of Chinese Electron Microscopy Society, 页 1-20.蒋练军、金辉霞. (2006年8月). 负折射率材料对隐失波的幅度增益. 大学物理College Physics, 页 1-19.王琛、王桂英、徐至展. (