Новотный и Хехт, Основы нанооптики

СИ.l0ВОГО микроскопа резонансного типа 1), расположенного над инвертированным

оптическим микроскопом. Возбуждающий свет фокусируется на образец посредством объектива микроскопа с высокой числовой апертурой. Покрытая золотом силиконо­

вая головка АСМ устанавливается в центре фокуса возбуждающего поля, а детекти­

рование фотонов осуществляется в селективном режиме, т. е. учитываются только те фотоны, которые попадают на детектор в определенные интервалы времени, как по­

казано на рис. 5.26. Скорость счета в точке наибольшего сближения зонда и образца вычитается из скорости в верхней точке траектории конического кантилевера. Если

скорость счета на малых расстояниях между зондом и образцом падает, например

из-за гашения флуоресценции, мы получим положительный сигнал. На рис. 5.26, б

.:!еиствительно виден положительный оптический сигнал для флуоресцирующей ча­ стицы, которого не наблюдается, в случае если частица имеет тот же размер, но

неф.lуоресцентна.

L:t*"'A·~

х

-250нм

РIIС 5 26 Визуализация 60 нанометровых флуоресцентных шариков, основанная на эффекте

.1oKa.lbHorO гашения, при помощи АСМ-головки На левой картинке показана схема экс­ пеРЮlентальной установки В ней совмещен АСМ резонансного типа с инвертированным оптическим микроскопом Оптический сигнал получается путем селективного счета фотонов Скорость счета фотонов в точке наибольшего сближения образца и зонда вычитается из ско­

рости счета в верхней точке конического кантилевера АСМ Положительным сигнал является

ТОГ.1а. когда при приближении зонда к образцу скорость счета фотонов падает, т е. при га­ шении флуоресценции а - Топографическое изображение 60-нанометрового флуоресцентного шарика и частицы пыли, сделанное при помощи АСМ резонансного типа б - На оптическом

изображении виден только шарик Заимствовано из [34]

Контраст сигнала при эффекте гашения возрастает при уменьшении размера объекта В предельном случае одиночной флуоресцентной молекулы флуоресцен­

ция может спадать очень резко, а когда головка располагается непосредственно

над молекулой, мы наблюдаем полное исчезновение флуоресценции. Как показано

в работах [50, 51], при помещении одиночной молекулы в пленку ПММА 2) тол­

щиной 20 нм флуоресценция и время жизни возбужденного состояния предельно У:\lеньшa.rIИСЬ, когда покрытая золотом SiзN4 головка АСМ располагалась над этой

~Ю.1екулоЙ. На рис. 5.27, а показана схема установки, используемая в экспериментах. д.1Я того чтобы качественно объяснить характер поведения зависимости времени жизни, полученной по измерениям на рис. 5.27, б, представлена зависимость времени

1) В оригинале это соответствует: tapping mode AFM, предлагаемый термин - атомно­

си.lОВОЙ микроскоп резонансного типа - встречается чаще других, однако единообразия

в переводе этого выражения на русский язык в литературе нет. - Примеч пер

2) РММА - polymethylmethacrylate (полиметилметакрил). - Примеч. пер

ночным молекулам, возбуждение происходит при помощи импульсного ПИКОССКУНДIlОГО .lазера

б - Зависимость времени жизни возбужденного уровня от величины зазора в системе стратифи­ uированных слоев, имитирующих локальную геометрию под АСМ-головкой ДИIlОЛЬНЫЙ ИЗ.lуча­ тель находится на глубине 20 нм в ПММА-слое. Как для перпендикулярной ориентации ;ЩПО.1Я

к плоскости слоев, так и для ориентаuии в плоскости наблюдается резкое падение Bpe~leHII Ж113-

ни при приближении величины зазора к нулю в - Скорость флуоресuенции и вре~IЯ ЖИЗНII возбужденного уровня каждой молекулы при сканировании покрытой золотом Si I NI rO.l0BKOli (верхний ряд) и безоболочечной головкой (нижний ряд) Заимствовано из [50. 51]

жизни одиночного дипольного излучателя, находящегося в стратифицированной.

среде от толщины слоев (см. гл. 10). Плоские слои локально аППРОКСИ~IИРУЮТ

область контакта зонд-образец. Вне зависимости от ориентации диполя время жизни

сокращается при уменьшении зазора между зондом и образцом, что свидетельствует

о гашении флуоресценции. На рис. 5.27, в показано двумерное распределение ско­

рости излучения и времени жизни возбужденного уровня как функция положения

сканирующей АСМ-головки. Наблюдается явное падение скорости флуоресценции

и времени жизни при приближении головки к молекуле. Конкретный вид области. в которой происходит гашение, зависит от размера и формы головки.

l{ругим подходом В микроскопии на основе переноса энергии является испо~ь­ зование акцептора, который будет свидетельствовать о наличии переноса энергии путем собственной флуоресценции. РПЭФ весьма успешно применяется в БИО,10гических науках для оценки изменений, происходящих на нанометровом масштабе (см. разд. 8.6.2), а в сочетании со сканирующей микроскопией реализует надеж­

ды на создание приборов, обладающих сверхвысоким пространственным разреше­

нием и чувствительностью к одиночным молекулам. Однако этот подход связан и с большими трудностями. Во-первых, для достижения высокого пространствен­

ного разрешения необходимо ограничить взаимодействие одной или несколькиыи

донорно-акцепторными парами, т. к. В случае большого числа пар в возбуждаеМО~1 объеме из-за малой длины взаимодействия только малая их часть будет давать BKola;I В сигнал РПЭФ, а остальные, скорее всего, будут усиливать фоновые процессы да.1Ь­ нодеЙствия. Во-вторых, при малом числе РПЭФ-пар огромной проблемой становятся деструктивные фотопроцессы: мерцание, потеря цвета. В связи с этим огромный

интерес возникает к фотостабильным донорам и акцепторам. Несмотря на все эти

проблемы, нескольким группам исследователей удалось показать, что реализация

РПЭФ-визуализации осуществима. В работе [521 было показано, что преждевре~lен­

ное обесцвечивание можно предотвратить, размещая на головке не акцептор, а донор

Это позволяет утверждать, что акцепторы возбуждаются не внешним лазерным излу­

чением, а исключительно посредством РПЭФ от возбужденного донора, находящего-

Задачи

5.1.Поверхностно си.~овая спектроскопия: используя работу [за], покажите, почему

усиление рамановского рассеяния вблизи наноструктуры попорционально чет­

вертой степени напряженности усиливающего фактора поля. Подчиняются .1И

этому закону другие спектроскопические сигнаЛbl";)

5.2Используя формализм разд. 3.6, определите диаметр осевой фазовой плаСТИНbI. которую необходимо использовать в микроскопии на основе STED, дЛЯ того

чтобы полностью нивелировать результирующее поле в геометрическом фокv­

се. Покажите, почему для достижения высокой степени точности так важно

достичь нулевого значения поля.

5.3.Выведите соотношение (5.3), рассматривая небольшие сферические чаСТИЦbl

над плоской поверхностью. Частицу необходимо рассматривать как диполь.

индуцирующий изображение диполя в веществе.

Список литературы

1.Hell S W. Schrader М , Hiinninen РЕ, and Soini Е Resolving fluorescence bea(ls аl

100-200 пт axial distance with а two photon 47Г-microscope operate{j in the пеаг infrared 11

16Terris В D . Матm Н J , and Rugar D Near-field optical data storage 11 Аррl Phys Lett 1996 V 68 Р 141-143

44 Betzig Е, Jsaacson М, and Lewis А. Collection mode near-field scanning optical microscopy / / Appl. Phys. Lett. 1987. У. 51. Р.2088

45Rhodes S.к., Nugent к.А., and Roberts А. Precision measurement о! the electromagnetic fields in the [оса! region of а high-numerical-aperture lens using а tapered fiber ргоЬе /1 J

Opt Soc. Ат. А. 2002. У.19. Р.1689-1693.

52Vickery S А. and Dunn R. С. Scanning near-fie1d f1uorescence resonance епегgу transier microscopy // Biophys J. 1999. У.76. Р.1812-1818.

53S1I1Юn А. к., Moiseev L А, Cantor С R, et а! Toward nanometer-scale resolution iп

f1uогеsсепсе microscopy usiпg spectral sеlf-iпtегfегепсе / / IEEE J Sel Тор Quапtum Еlесtгоп 2003 У.9 Р 294-300

Рис 62 ЭВОJ1ЮЦИЯ процесса пробирочного травления На вкладках показаны видеофрагменты процесса в соответствующие моменты времени. Покрытые волокна погружаются в 40-процент­ ный раствор HF с органическим верхним слоем (р-ксилен или изооктан) В случаях когда покрытие ПРOtlицаемо либо непроницаемо дЛЯ HF, травление происходит различным образом.

В с.lучае непроницаемой оболочки головка формируется на конце волокна и сохраняет свою

фОР~I). сокращаясь по длине внутри оболочки (а). Во втором случае головка образует мениск между HF-раствором и органическим верхним слоем (6) Заимствовано из [5]

Рис 63 Травленые волоконные головки Слева. травление по методу Тернера Справа' метод

проБИРОЧНОI'О травления На верхних рисунках изображения получены при помощи обычного оптического микроскопа На нижних показаны изображения поверхностной шероховатости ГО.l0ВКИ. наl1ыленной слоем платины 3 нм при 77 К, полученные при помощи электронного

микроскопа высокого разрешения Заимствовано из [5]

Кроме метода Тернера и пробирочного метода, существует несколько других

методов травления, позволяющих получить острые головки Был предложен приме­

чательный метод, основанный на погружении разреза волокна в смягченный раствор

HF. состоящий из смеси в объемном отношении NH4F: HF: Н20 = Х: 1 : 1, где Х - переменная величина [6]. Как правило, используются смеси, где Х > 1. Угол схожде­ ния на конус монотонно уменьшается при возрастании Х и выходит на стационарное

значение при Х > 6. Величина этого стационарного значения сильно зависит от кон­

центрации Ое в сердцевине волновода. Для уровня допирования 3,6 и 23 мол. % эти

ве.1ИЧИНЫ колеблются вблизи значений 1000 и 200 соответственно. Метод основан на

то!\(. что в подобных растворах обогащенные германием части оптического волокна травятся с более низкой скоростью. Так как сердцевина используемого здесь волокна

.J.опирована германием, на ней возникает протрузия, возвышающаяся над остальной поверхностью плоского волокна. На рис. 6.4 показан характерный вид волоконной

го.ювки, получаемой по методу Охтсу (Ohtsu). Волокно является плоским в разрезе,

за исключением короткой и острой протрузии, возникающей на его сердцевине. Для

Рис 64. Изображения волоконных головок, травленых по методу Охтсу, полученные при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Слева· специальное волокно с высоким уров­

нем допирования германием Заимствовано с согласия авторов из [6] Справа коммерческое волокно Заимствовано из [79]

того чтобы этот метод можно было применять, концентрация германия в сердцевине волокна должна иметь соответствующий профиль, чего не бывает в случае стандарт­ ных коммерческих одномодовых волокон. Еще более сложные методики необходимы

для формирований конических головок с углом схождения, представляющим собой разрывную функцию в пространстве, так называемых головок с множественной

коничностью [7].

Нагрев и вытягивание

Другим успешным методом создания сходящих на конус оптических волокон

является локальный нагрев безоболочечного волокна с последующим его вытягива­

нием. Используемая здесь методика ранее применялась в исследованиях электрофи­

зиологии клеток и использует метод локальной фиксации потенциала. 1) Метод ло­

кальной фиксации потенциала был разработан Эрвином Неером и Бертом CaKMaHO~1

в1970 г. [8] в институте биофизической химии Макса Планка (Геттинген, Германия)

В1991 г. они получили за свои разработки Нобелевскую премию по медицине.

Микропипетки для экспериментов по локальной фиксации потенциала производятся из кварцевых капилляров при помощи локального нагрева и вытягивания Форма и

диаметр при вершине пипетки сильно зависят от всех параметров, характеризующих

нагрев и вытягивание, включая профиль скорости вытягивания, размер области

нагрева и временной профиль нагрева.

Приложения нанооптики, как уже говорилось ранее, накладывают на конические оптические волокна определенные требования, а именно: коническая зона должна

быть короткой, твердой и иметь большой угол схождения на конус (угол раскрытия).

Для того чтобы удовлетворить этим требованиям, область нагрева должна быть

меньшей или равной диаметру волокна. Для того чтобы получить симметричную форму головки, распределение температуры в стекле должно иметь цилиндрическую

симметрию. Кроме того, нагрев стекла должен быть умеренным, т. к стекло обладает

определенным оптимумом вязкости, которого необходимо достичь перед началом про-

1) В оригинале· patch claтp technique. От англ patch - фрагмент, claтp (здесь) -

фиксация. - Прuм.еч пер