利用 1 奈米解析度實現皮腔增強近場光學顯微鏡

核心概念

該研究開發了一種名為皮腔增強近場光學顯微鏡 (PE-SNOM) 的新技術，通過結合低溫超高真空環境下的等離子體皮腔和頻率調製原子力顯微鏡 (FM-AFM)，實現了 1 奈米的超高光學解析度，突破了傳統光學顯微鏡的繞射極限，為單分子和原子尺度光學顯微鏡的發展鋪平了道路。

摘要

本研究論文發表了一種名為皮腔增強近場光學顯微鏡 (PE-SNOM) 的新型光學成像技術，該技術結合了多項先進技術，實現了 1 奈米的超高光學解析度，顯著超越了傳統散射式掃描近場光學顯微鏡 (s-SNOM) 的極限。
研究背景
傳統光學顯微鏡受限於光的繞射極限，解析度難以突破數百奈米。近年來，s-SNOM 技術利用探針尖端增強的近場光來突破繞射極限，實現了數十奈米的解析度，但仍無法滿足單分子和原子尺度觀測的需求。
技術突破
為進一步提升光學解析度，本研究團隊開發了 PE-SNOM 技術，其關鍵創新點包括：

**等離子體皮腔：**利用聚焦離子束 (FIB) 精細加工的銀探針尖端，在低溫超高真空環境下形成穩定的等離子體皮腔，將光場局域在原子尺度範圍內。
**頻率調製原子力顯微鏡 (FM-AFM)：**採用石英音叉 (QTF) 感測器作為微懸臂，實現振幅小於 1 奈米的穩定振盪，提高了對高度局域化信號的靈敏度。
**高次諧波鎖相檢測：**通過對散射光信號進行高次諧波鎖相檢測，有效抑制背景雜訊，提取出皮腔增強的近場光信號。

研究成果
研究團隊利用 PE-SNOM 技術成功獲得了銀 (Ag) 表面上矽 (Si) 島的材料對比度圖像，解析度高達 1 奈米。通過對比不同諧波信號的成像結果，證實了高次諧波信號對皮腔增強近場光具有更高的靈敏度。此外，通過線掃描分析，證實了 PE-SNOM 技術的橫向解析度優於 STM。
研究意義
PE-SNOM 技術的成功開發為在原子尺度上進行光學成像和光譜分析提供了新的途徑，有望應用於單分子、單缺陷的光物理性質研究以及原子級別界面光學性質的表徵等領域。

統計資料

PE-SNOM 技術實現了 1 奈米的橫向解析度。
傳統 s-SNOM 的解析度通常限制在數十奈米。
在 633 奈米波長下，由於介電常數的差異，銀在 s-SNOM 中的散射強度大於矽。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Picocavity-enhanced near-field optical microscopy with 1 nm resolution

by Akit... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18455.pdf

深入探究

PE-SNOM 技術如何應用於生物分子成像和分析？

PE-SNOM 技術在生物分子成像和分析方面具有巨大潛力，主要體現在以下幾個方面：

高解析度成像: PE-SNOM 技術能夠突破光學繞射極限，實現納米級甚至原子級解析度的光學成像，這對於研究生物分子（如蛋白質、DNA）的精細結構和相互作用至關重要。
化學識別: 結合針尖增強拉曼光譜（TERS）等技術，PE-SNOM 可以提供生物分子的振動指紋信息，從而實現對不同種類生物分子的識別和定位。
原位、無損檢測: PE-SNOM 技術可以在生理條件下對生物樣品進行原位、無損檢測，避免了傳統生物成像技術中樣品製備過程可能造成的結構損傷或改變。

然而，將 PE-SNOM 技術應用於生物分子成像和分析仍面臨一些挑戰：

生物樣品在超高真空和低溫環境下的穩定性: PE-SNOM 技術需要在超高真空和低溫環境下進行，這對於生物樣品的穩定性提出了挑戰。
成像速度: PE-SNOM 技術的成像速度相對較慢，限制了其在動態生物過程研究中的應用。
數據分析: PE-SNOM 技術產生的數據量龐大，需要開發高效的數據分析方法來提取有用的生物信息。

總之，PE-SNOM 技術為生物分子成像和分析提供了一種強大的工具，隨著技術的進一步發展和優化，其在生物醫學領域的應用前景將更加廣闊。

如何進一步提高 PE-SNOM 技術的信噪比和成像速度？

提高 PE-SNOM 技術的信噪比和成像速度是實現其廣泛應用的關鍵，以下是一些可行的策略：
提高信噪比:

優化針尖結構: 採用具有更高場增強能力的針尖材料和結構，例如利用 FIB 技術製備具有特定形貌的針尖，可以有效提高近場信號強度。
降低背景散射: 通過採用低背景的基底材料、優化光路設計以及使用背景扣除技術等方法，可以有效降低背景散射對信號的干擾。
提高探測效率: 使用高靈敏度的光電探測器、優化光收集系統以及採用鎖相放大等信號處理技術，可以提高信號探測效率，進而提高信噪比。

提高成像速度:

快速掃描探針: 採用高速 AFM 掃描器和控制系統，可以提高針尖掃描速度，從而縮短成像時間。
並行成像: 開發基於多探針或陣列探針的 PE-SNOM 系統，可以實現並行成像，大幅提高成像速度。
壓縮感知成像: 結合壓縮感知等數據處理技術，可以減少所需的採樣點數，從而縮短成像時間，同時保持較高的圖像解析度。

通過以上策略的綜合應用，可以有效提高 PE-SNOM 技術的信噪比和成像速度，使其在更廣泛的領域得到應用。

如果將 PE-SNOM 技術與其他超分辨成像技術相結合，是否能實現更高解析度的光學成像？

將 PE-SNOM 技術與其他超分辨成像技術相結合，的確有可能實現更高解析度的光學成像，並帶來更豐富的信息。以下是一些可能的結合方式：

PE-SNOM 與 STED 的結合: STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy) 技術利用受激發射 depletion 光束來壓縮激發光的光斑尺寸，從而提高解析度。將 PE-SNOM 與 STED 結合，可以利用 PE-SNOM 的高靈敏度和針尖增強效應來探測 STED 技術產生的更小的發光區域，從而進一步提高解析度。
PE-SNOM 與 STORM/PALM 的結合: STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) 和 PALM (Photoactivated Localization Microscopy) 技術利用單分子定位算法，通過多次成像來重建超分辨圖像。將 PE-SNOM 與 STORM/PALM 結合，可以利用 PE-SNOM 的高空間解析度來精確控制單分子發光，並提高單分子定位精度，從而獲得更高解析度的圖像。
PE-SNOM 與 AFM-IR 的結合: AFM-IR (Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopy) 技術利用 AFM 針尖探測樣品吸收紅外光產生的熱膨脹，從而獲得樣品的紅外光譜信息。將 PE-SNOM 與 AFM-IR 結合，可以利用 PE-SNOM 的高空間解析度來提高 AFM-IR 的空間解析度，並獲得納米尺度下樣品的化學組成信息。

然而，實現這些技術的結合也面臨著一些挑戰，例如不同技術之間的兼容性、系統複雜度以及數據處理等問題。相信隨著技術的發展，這些問題將逐步得到解決，為我們帶來更加強大的超分辨成像工具。