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Abstract
University of Shanghai for Science and Technology, Terahertz Technology Innovation Research Institute, Terahertz Spectrum and Imaging Technology Cooperative Innovation Center, Shanghai Key Lab of Modern Optical System, Shanghai, China
We review the recent biomedical detection developments of scanning near-field optical microscopy (SNOM), focusing on scattering-type SNOM, atomic force microscope-based infrared spectroscopy, peak force infrared microscopy, and photo-induced force microscopy, which have the advantages of label-free, noninvasive, and specific spectral recognition. Considering the high water content of biological samples and the strong absorption of water by infrared waves, we divide the relevant research on these techniques into two categories: one based on a nonliquid environment and the other based on a liquid environment. In the nonliquid environment, the chemical composition and structural information of biomedical samples can be obtained with nanometer resolution. In the liquid environment, these techniques can be used to monitor the dynamic chemical reaction process and track the process of chemical composition and structural change of single molecules, which is conducive to exploring the development mechanism of physiological processes. We elaborate their experimental challenges, technical means, and actual cases for three microbiomedical samples (including biomacromolecules, cells, and tissues). We also discuss the prospects and challenges for their development. Our work lays a foundation for the rational design and efficient use of near-field optical microscopy to explore the characteristics of microscopic biology.
near-field scattering-type scanning near-field optical microscopy atomic force microscope-based infrared spectroscopy photo-induced force microscopy biomedical detection nanospectroscopy Advanced Photonics Nexus
2023, 2(4): 044002
1 中山大学光电材料与技术国家重点实验室,广东省显示材料与技术重点实验室,中山大学电子与信息工程学院,广东 广州 510275
2 复旦大学芯片与系统研究院,上海 200433
3 广东大湾区空天信息研究院,广东 广州 510700
4 深圳京鲁计算科学应用研究院,广东 深圳 518131
在中红外至太赫兹的电磁场长波谱段,二维范德瓦耳斯晶体石墨烯和α-MoO3能够分别支持等离极化激元和双曲声子极化激元,实现对长波电磁场的纳米尺度聚焦和调控。不同类型极化激元之间的杂化可以进一步丰富极化激元物理特性,为纳米尺度下的电磁场调控带来更多维度。为此开展了α-MoO3薄片和单层石墨烯异质叠层结构声子极化激元-等离极化激元杂化研究。在理论上通过求解二维光波导麦克斯韦波动方程,分析了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构中声子极化激元-等离极化激元杂化激元波导模式的传播特性,计算了波导模式的色散关系,揭示了α-MoO3/石墨烯异质叠层结构特有的电磁场传输机制。在实验上通过干法转移制备了α-MoO3/单层石墨烯异质叠层结构,并采用散射式扫描近场光学显微镜对该异质结构的杂化极化激元特性进行了三维空间纳米光学成像表征,验证了理论结果。研究结果为计算范德瓦耳斯二维晶体叠层结构的杂化极化激元特性提供了定量模型,为研究二维晶体中不同类型的极化激元之间的相互作用及其机制提供了理论和实验参考。
材料 声子极化激元 等离极化激元 杂化极化激元 二维范德瓦耳斯晶体 异质叠层结构 散射式扫描近场光学显微镜
光子学报
2021, 50(11): 1111001
1 中国计量大学 计量测试工程学院, 杭州 310018
2 比萨大学 物理系, 比萨 56127
3 讯技光电科技(上海)有限公司, 上海 200092
为了研究扫描近场光学显微镜(SNOM)光纤探针的光学特性, 采用基于场追迹方法的光学软件VirtualLab Fusion进行了仿真实验, 取得了SNOM光学探针尖端外部光场的分布情况。结果表明, 沿z轴方向, 不同截面上的光场分布都会呈现小孔衍射的图案, 其中心斑点中心强度随着z值的变大而呈近似指数函数衰减, 到z=100nm位置处几乎衰减为0; 中心斑点轮廓线的半峰全宽随着z值的变大而呈现先不变后增大的趋势, 其拐点处于z=20nm位置处, 此时对应的中心强度值为7.2V/m2,这个强度值按指数函数计算正好处于z=0nm位置处强度的e-2。结果清晰显示了SNOM光学探针的光学特性, 证实SNOM探针工作时需要与样品表面保持在10nm左右的必要性。
成像系统 扫描近场光学显微镜 场追迹 光纤探针 imaging system scanning near-field optical microscopy field tracing VirutalLab Fusion VirutalLab Fusion optical fiber probe
State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China
scanning near-field optical microscopy (SNOM) near-field optical (NFO) measurement superresolution imaging near-field spectroscopy nano-optics nanophotonics Frontiers of Optoelectronics
2012, 5(2): 171
1 中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800
2 中国科学院研究生院,北京 100049
3 1中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800
提出了一种制备扫描近场光学显微镜光纤探针的自动化腐蚀方案.该方案利用静态腐蚀过程中光纤所形成的特殊结构,及动态腐蚀过程中光纤在氢氟酸中的移动所带来的新月形弯液面在光纤表面接触位置的变化,通过合理控制腐蚀时间来制备尖端锐利、大锥角或多锥体角等各种结构的探针.设计方案采用计算机控制整个装置实现了探针制备过程的自动化,保持了腐蚀光纤探针实验条件的一致性.实验结果表明,采用此方案可以制备出尖端孔径小于100 nm且锥体角高达70°的光纤探针,且重复性高.此外,该方案的装置结构简单,实现容易.
扫描探针技术 扫描近场光学显微镜 光纤探针 化学腐蚀法 Scanning probe technology Scanning near-field optical microscopy Fiber probe Chemical etching
曲阜师范大学激光研究所, 山东 曲阜 273100;淄博师范高等专科学校科研处, 山东 淄博 255130
扫描探针显微镜(SPM)作为一种广泛应用的表面表征工具,不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.以纳米材料为主要研究对象,综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法, 展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.
材料表征 扫描探针显微镜(SPM) 扫描隧道显微镜(STM) 原子力显微镜(AFM) 近场扫描光学显微镜(SNOM) material characterization scanning probe microscopy(SPM) scanning tunneling microscope(STM) atomic force microscope(AFM) scanning near-field optical microscopy(SNOM)
暨南大学生命科学技术学院化学系, 广州 510632
介绍了近期扫描近场光学显微镜(SNOM)在单分子探测、细胞精细结构和微生物学等研究领域中的应用进展,介绍了“量子荧光探针” 、“生物纳米光学”的概念,指出了SNOM在细胞内部或膜表面进行单分子探测与单分子量化研究中的难题,并提出将其与超薄切片相结合以解决这些难题的思路。SNOM在各个领域的应用研究还远远不足,需要做更多的工作,其成像原理及图像数据的解析还需作深入研究。
扫描近场光学显微镜(SNOM) 量子点 单分子探测 生物纳米光学 微生物学