用於高解析度生物光刻技術的色彩校正、高對比度折反射式中繼透鏡

核心概念

本文介紹了一種新型光學中繼透鏡系統，專為使用現代數位微鏡元件 (DMD) 進行超大規模寡核苷酸無掩模陣列合成而設計，該系統具有更高的解析度和更大的視野，並討論了其在減少生物分子光化合成錯誤率方面的優勢。

摘要

無掩模陣列合成技術的新型光學系統

背景與挑戰

DNA 和 RNA 的大規模合成是現代生物學研究（從基因組學到核酸療法）和技術研究（從材料奈米製造到分子級數位數據寫入）的關鍵技術。無掩模陣列合成 (MAS) 是一種多功能且有效的方法，可用於為這些應用創建所需的複雜 DNA 微陣列和文庫，以及更普遍地用於合成序列定義的工程和生物寡聚物。MAS 使用由數位微鏡元件 (DMD) 顯示的數位光罩，該元件由適當的光源照亮，並通過光學中繼系統成像到光化學反應室中。過去，Offner 中繼系統用於成像，但具有更多和更小微鏡的現代 DMD 格式有利於不同的解決方案。

新型光學系統設計

本文介紹了一種桌上型 MAS 光學系統，該系統具有 1080p 和其他大幅面 DMD 所需的更大數值孔徑和更大視野。由此產生的折反射式中繼透鏡非常適用於此應用中的現代 DMD，並且針對一階軸向和橫向顏色進行了校正，從而可以使用高功率 LED 作為廉價且持久的紫外到紫光源來執行所需的光化學。該系統的其他特性，包括高對比度和低散射，使其成為降低生物分子光化合成錯誤率的理想選擇。

光學設計

新型中繼透鏡光學系統的主要設計標準是：(1) 0.12 的數值孔徑，以在 365 nm 處達到 1.5 µm 的空間解析度，(2) 至少與 1.38 英寸 4K DMD 一樣大的繞射極限視野，高光學對比度/低散射以最大程度地減少插入錯誤率，並且對於使用 365 nm 和 405 nm LED 照明具有足夠的消色差性，這兩種 LED 的典型光譜寬度約為 10 nm（FWHM）並且紅色尾部相對較長。此外，照明系統的規格是在 365 nm 處為 1080p DMD 提供大於 100 mW/cm2 的輻照度，並在平均輻照度的 5% 以內照亮每個鏡子。

光學中繼透鏡

第一代無掩模陣列合成器 (MAS) 使用 0.08 NA（在 365 nm 處空間解析度為 2.4 µm）Offner 中繼透鏡。Offner 中繼透鏡很簡單，由一個主凹球面鏡組成，該球面鏡的曲率半徑是較小的凸面副鏡的兩倍，副鏡也定義了成像光學的傅立葉變換平面。Offner 中繼透鏡的進一步優點是它們是消色差的，並且在像平面和物平面前面提供了足夠的間隙，允許 DMD 所需的正面照明以及光化學反應池和相關定位機構的空間。

照明系統和數值孔徑

照明系統旨在有效地收集來自 Nichia NWSU333B 365 或 405 nm LED 的光並對其進行空間均勻化，以使用高達 0.12 的數值孔徑成像到 0.7 英寸 XGA 或 0.95 英寸 1080p DMD 上。較低的 NA 與 XGA DMD 結合使用在微陣列合成中很有用，因為更大的焦深（對於 0.12 NA，約為 50 µm 對比 23 µm）允許在第二個基板上進行平行合成。為此，設計了一個帶有兩個合成基板的流通池，間隔 50 µm，作為光化學反應室的入口和出口窗口；合成後，這兩個基板作為微陣列的功能相同。

光散射及其抑制

DMD 成像通過非狀態反射光和開啟狀態反射光之間的 24° 分隔來最大化對比度，但這種分隔隨著數值孔徑的增加而減小。此外，DMD 本身會散射光，從鏡子邊緣、從連接鏡子到子結構的通孔、從鏡子間隙下方的子結構散射光。中繼透鏡內的缺陷和灰塵還會導致散射光到達合成區域。為了最大程度地提高對比度並最大程度地減少未故意曝光的表面區域中光不穩定基團的不良去除，應抑制光的散射以最大程度地提高正確分子序列的產量。

總結

本文介紹了一種新型光學中繼透鏡系統，專為使用現代數位微鏡元件 (DMD) 進行超大規模寡核苷酸無掩模陣列合成而設計。該系統具有更高的解析度和更大的視野，並討論了其在減少生物分子光化合成錯誤率方面的優勢。

統計資料

數值孔徑從 0.08 增加到 0.12 可以使雜散光增加約 2 倍。
反射式光學表面對對比度損失的貢獻是折射式光學表面的四到十倍。
與沒有漫射器的 DMD 圖像處的 365 nm 強度相比，使用 10% 全息漫射器的強度降低到 86%，而使用 20% 全息漫射器的強度降低到 68%。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

A color-corrected, high-contrast catadioptric relay for high-resolution biological photolithography

by Timm... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06466.pdf

深入探究

如何進一步提高該光學系統的解析度和視野，以滿足未來生物光刻技術的需求？

要進一步提高該光學系統的解析度和視野，可以考慮以下幾種方法：
提高解析度：

縮短波長: 使用更短波長的紫外光源，例如深紫外光 (DUV) 或極紫外光 (EUV)，可以顯著提高解析度。目前，365nm 和 405nm 的 LED 光源已經被廣泛應用，但未來可以考慮開發更高能量、更短波長的光源，例如 266nm 或 193nm 的 DUV 光源。
增大數值孔徑 (NA): 提高光學系統的數值孔徑可以收集更大角度的光線，從而提高解析度。然而，增大 NA 會導致景深減小，因此需要權衡解析度和景深的需求。
採用浸沒式光刻技術: 在物鏡和樣品之間填充高折射率的液體，例如水或油，可以有效提高數值孔徑，進而提高解析度。
使用更先進的光學元件: 例如非球面透鏡、衍射光學元件等，可以更好地校正像差，提高成像質量，從而提高解析度。

擴大視野:

使用更大尺寸的 DMD: 更大尺寸的 DMD 可以容納更多微鏡，從而擴大投影圖案的範圍，提高合成效率。
優化光學設計: 採用更先進的光學設計，例如多透鏡系統、自由曲面光學元件等，可以擴大光學系統的成像範圍，提高視野。
拼接技術: 將多個 DMD 圖案拼接在一起，可以實現更大面積的圖案投影，擴大有效視野。

需要注意的是，提高解析度和視野通常會增加系統的複雜性和成本，因此需要根據具體應用需求進行權衡和選擇。

除了光學設計，還有哪些因素會影響生物分子光化合成的錯誤率，如何優化這些因素？

除了光學設計，以下因素也會影響生物分子光化合成的錯誤率：

化學試劑和反應條件:

試劑純度: 高純度的化學試劑可以減少副反應，提高合成效率和準確性。
反應溫度和時間: 優化反應溫度和時間可以提高反應效率，減少副反應。
溶劑選擇: 選擇合適的溶劑可以提高反應物的溶解度，促進反應進行。

光化學反應本身:

光脫保護效率: 提高光脫保護基團的效率可以減少未反應單體的比例，降低錯誤率。
副反應: 光化學反應過程中可能發生副反應，例如光氧化、光降解等，需要採取措施抑制這些副反應。

合成芯片表面性質:

表面修飾: 對合成芯片表面進行適當的修飾可以提高 DNA 單體的結合效率，減少非特異性吸附。
表面清潔度: 芯片表面的污染物會影響合成效率和準確性，需要保持芯片表面的清潔。

其他因素:

環境濕度和氧氣濃度: 高濕度和氧氣濃度會促進 DNA 的降解，需要控制環境條件。
操作流程: 標準化的操作流程可以減少人為誤差，提高合成效率和準確性。

優化這些因素可以通過以下方法實現:

使用高質量的化學試劑和優化的反應條件。
選擇具有高光脫保護效率和低副反應的光化學保護基團。
對合成芯片表面進行適當的修飾和清潔。
控制環境濕度和氧氣濃度。
建立標準化的操作流程。

如果將該光學系統應用於其他領域，例如材料科學或信息技術，會有哪些潛在的應用和挑戰？

將該光學系統應用於材料科學或信息技術領域，具有以下潛在應用和挑戰：
潛在應用:

材料科學:

微納米結構製造: 利用該光學系統可以實現高精度、高通量的微納米結構製造，例如光子晶體、超材料、微流控芯片等。
表面功能化: 通過精確控制光照區域，可以實現材料表面的選擇性功能化，例如生物傳感器、催化劑等。
3D 打印: 結合雙光子聚合等技術，可以利用該光學系統實現高精度、高分辨率的 3D 打印。

信息技術:

高密度數據存儲: 利用 DNA 或其他生物分子作為信息載體，可以實現超高密度、長壽命的數據存儲。
光計算: 利用光學元件構建光學計算機，可以實現高速、低功耗的信息處理。
光通信: 利用光纖傳輸信息，可以實現高速、大容量的數據傳輸。

挑戰:

材料兼容性: 不同領域的應用需要使用不同的材料，例如半導體、金屬、聚合物等，需要解決材料與光學系統的兼容性問題。
加工精度和效率: 不同領域的應用對加工精度和效率的要求不同，需要進一步優化光學系統的性能。
成本控制: 將該光學系統應用於其他領域需要考慮成本因素，需要開發低成本、高性能的光學元件和系統。

總之，將該光學系統應用於材料科學或信息技術領域具有廣闊的應用前景，但也面臨著一些挑戰。相信隨著技術的進步，這些挑戰將會逐步得到解決，該光學系統也將在更多領域發揮重要作用。