Demonstratie van een Hyperlens-geïntegreerd Microscoop en super resolutie beeldvorming
8 september 2017
Het gebruik van een hyperlens werd beschouwd als een nieuwe super resolutie beeldvormende techniek te wijten aan haar voordelen in real-time beeldvorming en haar eenvoudige implementatie met conventionele optica. Hier presenteren we een protocol met een beschrijving van de fabricage en beeldtoepassingen van een sferische hyperlens.
Het algemene doel van deze experimentele procedure is om het fabricageproces en subdiffractief beeldvorming van het tweedimensionale hyperlensapparaat te demonstreren. Deze nieuwe superresolutie-beeldvormingstechniek heeft de voordelen van real-time beeldvorming en eenvoudige implementatie in conventionele optica. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van superresolutie-beeldvorming, zoals het beeldvormen van levende cellen en dynamische nanodeeltjes onder de fractiegrens.
De hyperlens is een speciale sferische lens met meerlaagse structuur met een vlakke hyperbolische dispersie die vergroting van hoogfrequente informatie ondersteunt en resolutie van vergelijkbare optica op grote afstand in real time. Het belangrijkste voordeel van de sferische hyperlens is dat deze tweedimensionale informatie bij zichtbare frequenties kan vergroten. Een sferische hyperlens kan ook eenvoudig worden geïntegreerd in conventionele microscopie zonder extra complex systeem.
De procedure zal worden gedemonstreerd door Dasol Lee en Inki Kim, die afstudeerstudenten zijn van mijn laboratorium. Om te beginnen, draai de kwartswafer met een positieve fotoresist op 2.000 tpm en bak gedurende 60 seconden op 90 graden Celsius. Gebruik vervolgens een snijmachine om de wafer met fotoresist in kleine stukken van 20 bij 20 vierkante millimeter te snijden.
Gebruik een persluchtpistool om de stukjes te blazen om eventuele deeltjes te verwijderen die het gevolg zijn van de snijfas. Plaats vervolgens de gesneden wafer in een ultrasone bad van gedeïoniseerd water gedurende vijf minuten op 45 graden Celsius. Verwijder de fotoresistlaag met behulp van een ultrasoon bad van aceton gedurende vijf minuten op 45 graden Celsius.
Reinig vervolgens het substraat door het vijf minuten op 45 graden Celsius in een ultrasoon bad met isopropylalcohol te plaatsen. Droog het substraat met een persluchtpistool. Om het maskerpatroon te etsen, laadt u eerst de schone kwartssubstraten in een hoogvacuüm elektronbuigenevaporatiesysteem.
Deponeer de chroomlaag met een depositiesnelheid van twee ångströms per seconde. Druk op de ontluchtingsknop om de kamer te ontluchten. Monteer een monster op de Focused Ion Beam of FIB-houder met behulp van geleidend kopertape.
Laad vervolgens de FIB-houder in de FIB-kamer. Sluit de deur van de kamer en druk op de pompknop om de kamer te ontluchten. Selecteer Beam On onder het tabblad straalcontrole en stel de ionenstraalstroom en versnellingsspanning voor FIB-modus in.
Schakel het ionistraalsysteem in. Selecteer Beam On onder het tabblad straalcontrole om de elektronenstraal in te schakelen en focus de afbeelding met lage vergroting met behulp van software. Stel vervolgens de werkafstand in op vier millimeter onder het tabblad navigatie in de rasterelektronenmicroscoopmodus.
Stel de kantelassing van de houder in op 52 graden en maak SEM-beelden met verschillende vergrotingsgraden voordat het gatarraymaskerpatroon wordt gemaakt. Kies onder het tabblad patroonvorming het patroonvormingsgebied en maak een gatarray van 50 nanometer op de chroomlaag. Nadat u klaar bent, schakelt u de elektronenstraal en ionistraalsystemen uit en koelt u ze af.
Druk op de ontluchtingsknop om de kamer met stikstofgas te ontluchten. Neem vervolgens de houder uit de kamer. Plaats vervolgens het gepatroneerde substraat gedurende vijf minuten in een tot 10 gebufferde oxide-etser.
Plaats het gepatroneerde substraat in gedeïoniseerd water om de gebufferde oxide-etser te reinigen. Droog vervolgens het monster met gecomprimeerd stikstofgas. Plaats het gepatroneerde substraat in chroom-etser om de chroommaskerlaag te verwijderen.
Plaats ten slotte het gepatroneerde substraat vijf minuten in gedeïoniseerd water om het te reinigen. Druk op de ontluchtingsknop van het elektronenstraal-evaporatiesysteem en wacht tot de ontlucht is voltooid. Laad vervolgens het gepatroneerde substraat na de ontlucht in een hoogvacuüm elektronenstraal-evaporatiesysteem.
Sluit de deur van de kamer en ontlucht de kamer door op de pompknop te drukken. Deponeer de zilverlaag met een groeisnelheid van één ångström per seconde en deponeer een zilverlaag van 15 nanometer dik. Koel het substraat na de deponering van de zilverlaag gedurende vijf minuten af.
Verander de pocket van het elektronenstraal-evaporatiesysteem door een andere smeltkroes te kiezen en deponeer de titaniumoxidelaag met een groeisnelheid van één ångström per seconde. Deponeer vervolgens een titaniumoxidelaag van 15 nanometer dik. Koel het substraat na de deponering van de titaniumoxidelaag gedurende vijf minuten af.
Herhaal de deponeringsstappen gedurende tientallen cycli om een meerlaag van zilver en titaniumoxide te deponeren. Verander de pocket van het elektronenstraal-evaporatiesysteem en deponeer de chroomlaag met een dikte van 50 nanometer. Schakel na de deponering van een chroomlaag het elektronenstraal-evaporatiesysteem uit.
Druk op de ontluchtingsknop en ontlucht de kamer door stikstofgas te introduceren. Na de ontlucht opent u de deur van de kamer en haalt u de montagehouder uit de kamer. Verwijder het gefabriceerde hyperlensapparaat.
Sluit vervolgens de deur van de kamer en ontlucht de kamer door op de pompknop te drukken. Monteer de met chroom gedeponeerde hyperlens in het FIB-freessysteem en patroneer een nano-gedimensioneerde structuur volgens de instructies van de fabrikant. Plaats vervolgens een conventionele transmissie-optische microscoop op de optische tafel.
Verbind een witlichtbron aan de microscoopverlichtingsweg met behulp van een adapter. Plaats een optisch banddoorlaatfilter gecentreerd op 410 nanometer. Selecteer een oliemergend objectieflens met hoge vergroting en gebruik een hoogwaardige CCD-camera om de afbeeldingen te verkrijgen.
Plaats een druppel oliemergend op het objectief. Plaats ten slotte een hyperlens op de monsterstandaard en maak de afbeeldingen vast. Hier is een hyperlens weergegeven die is samengesteld uit afwisselend gedeponeerde meerlagen van zilver en titaniumoxide.
De dwarsdoorsnede van het beeld toont dat de meerlaag van zil
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor de fabricage en beeldvormingstoepassingen van een sferische hyperlens, een nieuwe superresolutie beeldvormingstechniek. De hyperlens biedt voordelen bij real-time beeldvorming en kan eenvoudig worden geïntegreerd met conventionele optica.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Superresolutie beeldvorming
- Optische techniek
- Microscopietechnieken
Achtergrond
- De hyperlens is een sferische lens met een meerlaagse structuur.
- Het ondersteunt vergroting van hoogfrequente informatie.
- Real-time beeldvormingsmogelijkheden zijn een belangrijk voordeel.
- Het kan optische informatie in het verre veld oplossen.
Doel van de studie
- Om het fabricageproces van het hyperlensapparaat te demonstreren.
- Om de toepassing ervan in subdiffractiebeeldvorming te laten zien.
- Om belangrijke vragen in superresolutie beeldvorming aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een tweedimensionaal hyperlensapparaat.
- Integratie met conventionele microscopiesystemen.
- Real-time beeldvorming van levende cellen en dynamische nanodeeltjes.
- Gebruik van hyperbolische dispersie voor vergroting.
Belangrijkste resultaten
- De sferische hyperlens vergroot effectief tweedimensionale informatie.
- Het werkt op zichtbare frequenties.
- Bewezen mogelijkheid voor beeldvorming onder de diffractielimiet.
- Succesvolle integratie met bestaande optische systemen.
Conclusies
- De sferische hyperlens is een veelbelovend hulpmiddel voor superresolutie beeldvorming.
- Het vereenvoudigt het beeldvormingsproces met conventionele optica.
- Mogelijke toepassingen in biologische beeldvorming en nanotechnologie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Super-resolution imaging addresses the diffraction limit barrier in conventional microscopy, enabling visualization of subcellular structures and dynamic processes at nanoscale resolution. The spherical hyperlens technique provides real-time, far-field imaging with straightforward integration into existing optical systems, reducing technical complexity for discovery workflows. This capability supports target validation and mechanistic de-risking by allowing direct observation of molecular interactions and nanoparticle behavior in live-cell environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by resolving subcellular features below the diffraction limit.
- Operational Value: Supports functional target validation through direct visualization of molecular dynamics in live cells.
- Predictive Value: Enhances confidence in target engagement studies by providing real-time, label-free imaging of nanoparticle trafficking.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for high-content screening by enabling quantitative nanoscale imaging.
- Reproducibility: Delivers standardized, real-time readouts across experimental conditions through consistent far-field magnification.
- Platform Integration: Facilitates scalable compound evaluation via compatibility with conventional microscopy and oil immersion objectives.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Enables imaging of living cells and dynamic nanoparticles, supporting translational biomarker discovery in nanomedicine.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by resolving subcellular mechanisms in disease-relevant models.
- Risk-Adjusted Decisions: Informs advancement choices by visualizing nanoparticle distribution and cellular uptake mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
The hyperlens method fits within the discovery continuum from early target validation through lead identification to preclinical studies, enabling nanoscale imaging at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by resolving subcellular structures and molecular complexes.
- Screening: Provides assay-ready, quantitative outputs for compound screening via real-time, subdiffraction-limited imaging.
- Analytics: Generates spatial and temporal measurements of nanoparticle dynamics and molecular interactions for comparative analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical work through disease-relevant imaging of living cells and nanoparticle behavior.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging platform across projects due to simple integration with standard microscopes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by enabling direct observation of nanoscale biological processes.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through consistent fabrication and imaging protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing late-stage biological risk through early nanoscale validation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by visualizing target engagement and nanoparticle efficacy in vivo-like conditions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in thin-film deposition, electron beam evaporation, and focused ion beam milling.
- Needs access to high-vacuum deposition systems, FIB instrumentation, and optical microscopy with oil immersion objectives.
- Demands cross-team standardization for fabrication parameters and imaging conditions to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations for different biological samples and nanoparticle types due to substrate and wavelength dependencies.
- Limited by the need for precise multilayer thickness control and wavelength-specific operation (e.g., 410 nm) as demonstrated in the protocol.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:18
Substrate Preparation
2:18
Etching the Mask Pattern, Wet-etching Process, and Removal of the Mask Layer
4:29
Multilayer Deposition, Nano-sized Object Inscription, and Imaging
7:11
Results: Fabrication Results and Capability of Super-resolution Imaging of the Hyperlens
8:51
Conclusion
