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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
光学 精密工程
2022, 30(17): 2094
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200302
1 上海市计量测试技术研究院 机械与制造计量技术研究所, 上海 201203
2 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。
微纳米测量 白光干涉测头 原子力显微镜 多测头技术 精密定位 micro and nano measurement white light interference microscope atomic force microscope Multi-probe technology precise positioning
同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
原子力显微镜是微纳米测量领域主要测量工具之一。由于原子力显微镜探针不可能无限尖锐, 使得测量图像包含了一部分探针信息, 这是其图像失真的一大影响因素。通过获取探针形状和尺寸, 可以有效去除测量图像的“探针效应”从而提升准确度。文中以研制良好样品内一致性的探针校准器为目标, 应用Si/SiO2多层膜光栅技术, 初步研制了20 nm标称值的线宽结构用于原子力显微镜探针校准。表征结果显示, RFESP型(Rectangular Front Etched Silicon Probe)探针稳定扫描时探针前角由15°增加至36°左右, 探针后角由25°增加至45°左右, 呈现钝化趋势。由此表明, 基于Si/SiO2多层膜光栅技术研制的线宽型探针表征器可以快速表征出探针侧壁角度信息, 是原子力显微镜探针扫描过程中探针形貌快速监测和估计的有效手段, 对于促进探针表征与图像准确度提升均具有重要意义。
原子力显微镜 探针效应 探针校准器 多层膜光栅 atomic force microscope tip effect tip characterizer multilayer gratings 红外与激光工程
2020, 49(2): 0213001
西安工业大学 光电工程学院, 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 西安 710021
使用微波回旋共振离子源制备蓝宝石(A向)自组织纳米结构, 研究不同入射角度下Kr+离子束刻蚀蓝宝石表面形成的自组织纳米结构及其形成过程.采用等离子体与离子束刻蚀设备在不同入射角度下对蓝宝石样品表面进行刻蚀并通过Taylor Surf CCI2000非接触式表面测量仪和原子力显微镜分别对刻蚀后的蓝宝石样品的刻蚀速率及表面形貌进行分析.研究表明: 当离子束能量为400 eV,加速电压为200 V,离子束流密度为310 μA/cm2时, 小角度入射下, 蓝宝石样品表面出现纵向尺度较小的有序点状纳米结构; 随着入射角度的增加, 样品表面形成条纹状纳米结构, 30°时形成短程有序且纵横比为0.87的条纹状结构; 入射角度继续增加, 纵向高度减小直至纳米结构消失; 当角度达到60°附近, 蓝宝石表面又出现条纹状结构, 70°时形成了短程有序且纵横比为1.07的条纹状结构.自组织纳米结构的形成先以“岛状”形式出现, 随后岛上生长出条纹状纳米结构, 随着刻蚀时间的增加, 岛状条纹结构纵向尺度增大且有序性增强, 纳米结构的横向周期不变.
低能Kr+离子束 自组织纳米结构 条纹状纳米结构 蓝宝石 表面形貌 刻蚀速率 原子力显微镜 Low energy Kr+ ion beam Self-organized nanostructure Striped nanostructures Sapphire Surface morphology Etching rate Atomic force microscope
1 上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
基于原子力显微镜平台设计了可见 .近红外波段的散射型近场扫描光学显微镜 ,通过理论模型计算和实验测量，分析了散射探针振动的调制振幅和扫描反馈幅值对近场信号的影响。研究表明：与探针针尖尺寸相近的调制振幅有利于抑制背景散射噪声及优化近场信号的信噪比；当探针扫描反馈幅值与自由空间调制振幅之比大于 90%时，可基本消除探针扫描过程中非简谐振动对近场成像测量的影响。
散射型近场扫描光学显微镜 原子力显微镜 振动振幅 反馈幅值 scattering-type scanning near-field optical micros atomic force microscope vibration amplitude feedback amplitude setpoint
武汉理工大学 理学院 物理系, 武汉 430070
提出了一种基于法布里-珀罗干涉的方法用于原子力显微镜微悬臂偏移量的检测.设计了一个球面反射镜与微悬臂组成的半球面布里-珀罗腔, 并利用高单色性的激光器作为光源, 激光光束在半球面布里-珀罗腔中多次反射并原路返回形成干涉.根据多光束干涉原理确定干涉光强与腔长之间的关系, 利用强度解调的方法计算微悬臂的偏移量并反馈给原子力显微镜系统.最后根据该方案搭建一套微悬臂偏移检测系统, 实验获得30 nm的工作范围内99.9%的线性拟合度, 微悬臂最小位移分辨力为0.26 nm, 实验结果和理论分析一致, 证明了该系统的实用性.
位移测量 法布里-珀罗干涉仪 原子力显微镜 微悬臂 强度解调 Displacement measurement Fabry-Perot interferometer Atomic force microscope Micro-cantilever Intensity demodulation 光子学报
2018, 47(12): 1212003
浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
提出了一种基于嵌入式系统和WiFi无线控制的接触模式原子力显微镜(AFM)系统。该AFM系统直接由迷你型移动电源给扫描与反馈电路及嵌入式系统等供电; 嵌入式系统由微型电脑树莓派和微小型AD&DA模块构成, 通过WiFi与笔记本电脑实现无线数据通信。利用这一方法, 成功研发了无线控制式AFM系统, 并开展了微纳米样品的扫描成像实验。实验结果表明, 该AFM系统的横向分辨率达到纳米量级, 纵向分辨率达到0.1 nm, 最大扫描范围为3.6 μm×3.6 μm。该系统的显著特点是无需交流市电供电, 无需直流高压电源, 也无需与计算机之间的线缆连接, 可在约100 m远处通过无线控制的方式实现AFM的扫描成像。这一新型AFM系统, 不仅能够在微纳米技术的常规领域得到应用, 而且在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境及星际探测等特殊领域具有广阔的应用前景。
原子力显微镜 嵌入式系统 无线控制 移动电源 Atomic Force Microscope(AFM) embedded system WiFi WiFi wirelessly controlled portable power supply
同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
探针结构参数的合理选取将直接决定扫描图像及其盲探针修正图像的失真程度。基于此,以一维矩形模拟光栅为典型案例,对该模拟光栅的原子力显微镜(AFM)扫描成像过程与盲探针修正过程进行了仿真,阐明了探针结构参数对扫描成像过程与盲探针修正过程的影响规律。通过建立线宽变化度与半高宽相结合的图像重建误差评价指标,确定了针对该模拟光栅的AFM探针建议结构参数,并取得了良好的光栅图像重建效果。研究表明,应用线宽变化度结合半高宽来综合评价光栅的AFM测量和图像重建过程,有利于提升实际光栅AFM图像盲探针重建的准确度。
一维矩形光栅 原子力显微镜 盲重建 one dimensional rectangle grating atomic force microscope blind reconstruction
