Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики
Подождите немного. Документ загружается.
5 5
Другие
схемы.
микроскопия
на
основе
переноса
энергии
163
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
пока
за
на
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
164
а
Гл.
5.
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
-
б
е
35r---------~--------,
о
~
3.0
"
~
'"-:'
2.5
»'"
8
~
2.0
~ ~
15
:z:
о
м
О.
~
» 1.0
'"
:;;
"
о.
со
O'01'---,----,-----,----,----j
()
100 20()
;юо
~()()
!Ю()
Воздушный
зазор
(нм)
(i
ФлуоресцеНЦIIЯ
ВРС:\IЯ
ЖI1
НlII
.~
а·
.,
..
Рис
5
27
а
-
Микроскоп
на
основе
переноса
энергии,
обладающий
чувствительностыо
к
о:ш
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 N I
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,10-
гических
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-
5
б
ЗаICЛюченuе
165
ся
в
образце
Принцип
такого
рода
экспериментов
показан
на
рис.
5.28
(слева).
Здесь
.10НОР
расположен
в
липидной
мембране,
состоящей
из
нескольких
слоев.
Возбужде
ние
образца
приводит
к
флуоресценции
донора и
при
приближении
головки,
несущей
акцептор,
возникает
дополнительная
красная
флуоресценция.
Увидеть
домены
можно
при
поточечном
сканировании.
Плотность
этих
доменов
значительно
ниже
по
срав
нению
с
плотностью
доменов,
которая
получается
при
использовании
конфокальной
:\lИКРОСКОПИИ
или
флуоресцентной
микроскопии
в
дальнем
поле,
что
указывает
на
на
.1ичие
БJ1изкодействующих
взаимодействий
между
головкой
и
образцом.
Благодаря
та
ким
близкодействующим
взаимодействиям
оказывается
возможным
отличить
верхний
с.lОЙ
стратифицированной
мембраны
от
нижележащих
слоев.
Изображения
в
центре
и
справа
на
рис
5.28
представляют
собой
экспериментально
полученные
в
ближнем
поле
РПЭФ-изображения.
Ограничение
на
размер
изображений
справа
(~
140
нм)
оБУСJlOвлено
размером
головки,
используемой
в
данном
эксперименте.
Рис
5
28
Ми"роскопия
ближнего
поля,
основанная
на пере носе
энергии
во
флуоресцентных
резонансах
Слева
зарисовка
эксперимента
Донорные
молекулы
расположены
в
многослойной
n.leHKe
Ленгмюра-Блоджетта
(Langmuir-Blodget,
LВ),
а
молекулы-акцепторы
удерживаются
LB-п.lенкоЙ.
расположенной
на
головке
Если
головка
отсутствует,
донор
флуоресцирует
в
эе
.1eHoM
диапазоне
Однако
в
присутствии
головки
появляется
дополнительная
флуоресценция
в
красном
диапазоне
по
причине
РПЭФ
между
верхним
слоем
LВ-пленки
и
головкой.
В
цен
тре
РПЭФ-изображение
области
образца
размером
50
х
50
мкм
Видны
флуоресцентные
пятна.
выявляющие
расположение
донорных
островков
в
LВ-пленке
Справа:
пространственное
разрешение.
получаемое
в
эксперименте.
Заимствовано
из
[52]
5.6.
ЗаКJlючение
Поздравляем
всех,
кто
выдержал
испытание
этим
натиском
описаний
различных
возможностей
визуализации.
По
прочтении
настоящей
главы
вы
должны
были
при
обрести
некоторые
знания
о
существующих
в
настоящее
время
типах
приборов
нано
размерной
оптической
микроскопии,
а
также
об
их
характеристиках.
Мы
стремились
показать,
что
огромное
разнообразие
существующих
методов
можно
классифици
ровать
исходя
из
способов
осуществления
подсветки
и
детектирования.
Конечно,
:\Ibl
не
смогли
дать
описание
всех
существующих
на
сегодняшний
день
методик,
.1.1Я
того
чтобы
сосредоточится
на
некоторых,
пришлось
оставить
вне
рассмотрения
остальные,
например
спектральную
микроскопию
на
основе
самоинтерференции
[53].
Непрерывно
рождаются
новые
подходы.
На
самом
деле,
можно
только
приветство
вать
развитие
и
доступность
узконаправленных
методик,
т.
к.
различные
измерения
не
могут
производиться
эффективно
при
помощи
одного
инструмента
для
решения
раЗ.1ИЧНЫХ задач
166
Гл
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
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";)
5.2
Используя
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
Opt
Сотт.
1995. V 120
Р
129-133.
2
Webb
R
Н
Confocal optical microscopy
11
Rep
Prog
Phys. 1996 V
59
Р
427-471
3.
Раш.'lеу
J
В
, editor Handbook of
Вiological
Confocal Microscopy - New York.
Lошlоп
Plenum Press. 2nd edn . 1995
4 Hell S
""
and
Stelzer
Е.
Н.
К
Properties
of
а
47Г-confocal
Пuогеsсепсе
microscope
11
J
Opt Soc Ат
А
1992. V 9
Р
2159-2166
5
Lmdek
S . Pick
R,
and
Stelzer
Е
Н.
К.
Confocal theta microscope \\'Ith three obJecli\
е
lenses
11
Rev Sci
Instrum
1994 V 65
Р
3367-3372
6 Hell S W. Increasing the Resolution
of
Far-Field Fluorescence Microscopy
b~
Point-Spread-Function Engineering.
Number
5 in Topics
'П
Fluorescence
Spectroscop~
Nonlinear and T\vo-Photon-Induced Fluorescence. J. Lako\\<icz.
ed
- Ne\\'
York
Plenum
Press,
1997
7 Goeppert-Mayer
М.
ОЬег
die Wahrscheinlichkeit des Zusammenwirkens zweier Lichtquanten
in
einem Elementarakt
11
Naturwissenschaften 1929 V
17
Р
932
8 Kaiser W and Garret
С
G
В
Two-photon excitation
in
('аР']
:
EII
21
11
Phys Re\' Lelt
1961 V 7
Р
229-231
9 Denk
W.
Strickler J
Н.
and
Webb
W W 2-photon laser scanning
Пuогеsсепсе
ml-
croscopy
11
Science. 1990 V 248
Р
73-76
10
Dittrich
Р
S and
Sсhш
..
illе
Р
PhotobIeaching and stabilization
of
fluorophores used ior
single-molecule analysis
with
опе-
and two-photon excitation
11
Аррl
Phys
В
2001 V
73
Р
829-837
11
Hell S W Towards
Пuогеsсепсе
nanoscopy
11
Nature Biotechnol 2003 V
21
Р
1347-1355
12
Dyba
М
and
Hell S W Focal spots
of
size lambda/23
ореп
up far-field
Пuогеsсепсе
microscopy at 33
пт
axial resolution
11
Phys
Rev Lett 2002 V 88
Р
163901
13.
Maker
Р
D.
and Terhune R W Study of optical effects due to
ап
induced polarization thlrd
order in the electric
field
strength
11
Phys
Rev
А
1965 V 137
Р
801-818
14
Zumbusch
А
.. Holtom G R . and
Юе
Х
S Three-dimensional vibrational imaging
Ьу
coherent
anti-Stokes Raman
scattering
11
Phys. Rev Lett 1999 V 82
Р
4142-4145
15
Mansfield S
М.
and
Кino
G S Solid immersion microscope
11
Аррl
Phys Lett 1990
V
77
Р
2615-2616
16
Terris
В
D .
Матm
Н
J ,
and
Rugar D Near-field optical data storage
11
Аррl
Phys Lett
1996
V 68
Р
141-143
5
б
Список
литературы
167
17
/ppoli/o S
В.
Goldberg
В
В.
and
ИпШ
В В
High spatial resolution subsurface mi-
croscopy
//
Аррl
Phys. Lett 2001
У.78
Р
4071-4073
18
Goldberg
В В
./рроШо
S
В
• Novotny L •
ии
Z . and S
ИпШ
М
Immersion lens microscopy
оГ
nanostructures and quantum dots / /
'ЕЕЕ
J Sel
Тор
Quantum
Electron 2002 V 8
Р
1051-1059
19
GhlSlatn L
Р
and Elings V
В.
Near-field
scanning
solid immersion microscope / /
Аррl
Phys Lett 1998 V 72
Р
2779-2781
:20
Ghlslam L
Р.
Eltngs
V.
В
• Crozier
К.
В
.•
et
аl
Near-field photolithography with
а
solid
Immегsiоп
lens
//
Аррl
Phys Lett 1999.
У.74
Р
501-503
21
l"rbls/eI'
Т
D.
Allhavan
Р.
Bailey
М
..
et
al.
Super-resolution
Ьу
combination of
а
solid
immersion lens and
ап
aperture
/ / J
рп.
J
Аррl
Phys. 2001 V
40
Р
1778-1782
22
Farahani J
N.
Eisler
Н
J.
РоЫ
D
W.
and
НесЫ
В
Single
quantum
dot coupled to
а
scanning optical antenna'
А
tunable super
етШег
/ /
Phys
Rev. Lett 2005.
У.95
Р
017402
23
НееМ
В
. Bieleteldt
Н
.
РоЫ
D
W.
Novotny L • and Heinzelmann
Н
'пflиепсе
of detection
conditions
оп
near-field optical imaging / / J. Appl. Phys 1998 V
84
Р
5873-5882
24
Ргеу
Н
О.
Kellmann
Р.
Kriele
А
• and Guckenberger
R.
Enhancing
the
resolution
of
scanning near-field optical microscopy
Ьу
а
metal tip grown
оп ап
aperture
ргоЬе
/ /
Аррl
Phys Lctt 2002 V
81
Р
5030-5032
25
BeuerslUls
М
R . Bouhelier
А
. and Nouotny L Continuum generation
[гот
single gold
папоstгuсturеs
through near-field mediated intraband transitions / / Phys. Rev
В.
2003
V
68
Р
115433
26
Bnuheller
А
. Beuersluis
М
• Hartschuh
А
• and Nouotny L Near-field second-harmonic
generation induce(l
Ьу
local field enhancement / / Phys Rev Lett. 2003 V 90.
Р.013903
27
Stockle R
М
. Suh
У
D.
Deckert
V.
and Zenobi R Nanoscale chemical analysis
Ьу
tip-enhanced
Rаmап
spectroscopy
//
Chem
Phys
Lett 2000 V 318
Р
131-136
28
/chlmura
Т.
Науаzаша
N.
Hashimoto
М.
/поиуе
У.
and Kawata S Tip-enhanced
coherent anti-Stokes Raman scattering
[ог
vibrational nanoimaging / / Phys. Rev Lett 2004
V
92
Р
220801
29
U'essel
J Surfacc-enhanced optical microscopy / / J
Opt
Soc.
Ат.
В
1995 V 2
Р
1538-1541
30
Лlеt/U
Н
Surface enhanced spectroscopy
//
Prog
Surf
Sci. 1984 V
17
Р
153-320
31
Hartschul/
А
. Sdnchez
Е
J.
Xie
Х
S.
and Nouotny L High-resolution near-field
гатап
mюоsсору
оГ
siпglе-\\'аllеd
сагЬоп
nanotubes / /
Phys
Re" Lett 2003 V 90
Р
095503
:32
Kellmanfl F and Hillenbrand R Near-field microscopy
Ьу
elastic light
scattering
[гот
а
tip / / Pl,il
ТI'апs
R Soc Lond
А
2004 V 362
Р
787-805
:3:3
Zenhausern F . Martm
У
. and
Wiсkгатаsmghе
Н
К
Scanning
interferometric apertureless
mlCГoscopy
Optlcal imaging at
10
angstrom resolution / / Science 1995. V 269
Р
1083
:3-1
Yang
Т
J.
Lessard G
А.
and Quake S
R.
Ап
apertureless near-field microscope
[ог
i!UОГбсепсе
imagll1g / /
Аррl
Phys Lett 2000. V 76
Р
378-380
35
.Hartm
У.
Rlshton S . and Wlckramasinghe
Н
К
Optical data storage read out at 256
gыs//п22
/ /
Аррl
Phys Lett 1997 V
71
Р
1-3
36
Balistren
М
L
М
.
Кlunder
D J
W.
Korterik J
Р.
et
аl
Visualizing the whispering gallery
mo(les
iп
а
суliпdгiсаl
optical microcavity
//
Opt Lett 1999 V
24
Р
1829-1831
3,
СоиГ/оп
D.
Sarayeddine
К.
and Spajer
М
Scanning tunneling optical microscopy / /
Opt
Соттип
1989 V
71
Р
23
38
Reddlck R
С
.
JX!armack
R J • Chilcott D
W.
Sharp S L • and Ferrell
Т
L . Photon
scanning
tunneling microscopy / / Rev Sci
Instrum
1990 V 61.
Р
3669
39
Кгепп
J
R.
Dereux
А
.
Weeber
J
С.
et al. Squeezing
the
optical near-field zone
Ьу
plasmon
coupling
оГ
metallic
папорагtiсlеs
/ / Phys Rev. Lett 1999
У.82.
Р
2590-2593
40
Bal/S/ren
М
L
М
. Kor/enk J
Р.
Kuipers L . and
иап
Hulst N F Observations
of
phase
singularities
in
optical fields
in
waveguide
structures
/ /
Phys
Rev. Lett 2000. V 85.
Р
294-297
168
Гл
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
41
Balistreri
M.L.M.,
Korterik J.P., Kuipers
L,
and
иаn
Hulst N F Phase mapping
о!
optical fields
in
integrated optical waveguide structures / / J Lightwave Technol
2001
V
19
Р
1169-1176
42
Balistreri
М.
L.
М.,
Gersen
Н.,
Korterik
J.
Р,
Kuipers L ,
and
иаn
Hulst N F Tracking
femtosecond laser pulses
in
space
and
time / / Science.
2001
V
294
Р
1080-1082
43.
Fйlck
Е,
Hammer
М.,
Otter
А
М.,
et
а!
Amplitude
and
phase evolution
of
optical iields
inside periodic photonic structures / /
J Lightwave Technol 2003 V
21
Р
1384-1393
44
Betzig
Е,
Jsaacson
М,
and
Lewis
А.
Collection mode near-field scanning optical
mi-
croscopy / /
Appl.
Phys. Lett.
1987.
У.
51.
Р.2088
45
Rhodes
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.
46. Horsch
J.,
Kusche R., Marti
О.,
Weigl
В.,
and
Ebeling
К
J Spectrally resolved near-iield
mode imaging
оУ
vertical cavity semiconductor 1asers / / J.
Арр!
Phys
1996
V
79
Р.3831-3834.
47
Adelmann
Ch., Hetzler J , Scheiber G , et al. Experiments
оп
the depolarization near-iield
scanning optical microscope / /
Арр!
Phys. Lett 1999 V
74
Р
179
48. Hosaka N
and
Saikl
Т.
Near-fie1d f1uorescence imaging
of
single molecules with
а
resolu(lOn
in
the range
of
10
пт
//
J. Microsc. 2001.
У.202.
Р.362-364
49. Fischer
U.
Ch,
Durtg
U.
Т,
and
РоЫ
D W Near-field optical scanning microscopy
,п
ref1ection / /
Арр!
Phys Lett 1988.
У.52
Р.249.
50 Trabesmger
W,
Kramer
А.,
Kreiter
М.,
НесЫ
В.,
and
Wild
и
Р
Sil1gle-molecule near-iield
optical energy transfer microscopy / /
Арр!
Phys Lett 2002 V
81
Р.2118-2120
51
Trabsinger W., Kramer
А.,
Kreiter
М.,
НесЫ
В,
and
Wild
и
Р,
Single-molecule
near-field optical energy transfer microscopy with die1ectric tips / /
J Microsc 2003 V
209
Р.249-253.
52 Vickery S
А.
and
Dunn
R.
С.
Scanning near-fie1d f1uorescence resonance
епегgу
transier
microscopy
//
Biophys J. 1999.
У.76.
Р.1812-1818.
53
S1I1Юn
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
Глава
6
зонды
для
микроскопии
БЛИЖНЕГО
ПОЛЯ
Оптические
зонды
ближнего
поля,
такие
как
облучаемые
лазером
металлические
ГО.l0ВКИ,
являются
ключевыми
компонентами
оптических
микроскопов
ближнего
поля,
которые
были
рассмотрены
в
предыдущей
главе.
Не
взирая
на
то,
используется
зонд
для
подсветки
или
детектирования,
либо
для
того
и
другого
одновременно,
оптическое
пространственное
разрешение
системы
зависит
исключительно
от
того,
как
нам
удалось
локализовать
оптическую
энергию
на
кончике
зонда.
В
этой
главе
~lbI
обсудим
распространение
света
и
его
локализацию
в
различных
зондах,
исполь
зуе~IЫХ
в
оптической
микроскопии
ближнего
поля.
Где это
возможно,
мы
исследуем
фундаментальные
свойства
при
помощи
теории
электромагнетизма
(см.
гл.
15),
а
так
же
даем
обзор
современных
методов
изготовления
оптических
зондов.
Надеемся,
что
предлагаемые
нами
сведения
помогут
сформировать
у
читателя
ясное
представление
о
возможностях
и
технических
ограничениях
описываемых
зондов.
Наиболее
часто
встречающиеся
оптические
зонды:
(1)
безоболочечные
волоконные
зонды,
(2)
апер
турные
зонды,
(3)
узконаправленные
металлические
и
полупроводниковые
зонды,
(4)
наноизлучатели,
такие
как
отдельные
молекулы
или
нанокристаллы.
Известная
теорема
в
теории
электромагнетизма
утверждает
наличие
свойства
обратимости
у
Э.lектромагнитных
полей,
т.
е.
сигнал
остается
неизменным,
если
источник
заменить
из.'учателем,
а
излучатель
-
источником
[1, 2].
Таким
образом,
достаточно
изучить
данный
зонд
только
в
одном
режиме
работы.
В
большинстве
приложений
необходимо
бывает
избежать
засветки
больших
поверхностей
из-за
риска
фотодеструкции
и
даJlьнодеиствующих
интерференционных
эффектов,
усложняющих
восстановление
изображении.
Поэтому
мы
сосредоточим
свое
внимание
на
локальных
конфигураци
ях
подсветки
6.1.
Диэлектрические
зонды
Диэлектрические,
т.
е.
прозрачные,
головки
представляют
собой
важнейший
класс
оптических
зондов
ближнего
поля
и
являются
ключевыми
компонентами
при
изготов
.1ении
более
сложных
зондов,
например
апертурных.
Прозрачные
головки
могут
быть
получены
путем
сведения
на
конус
оптического
волокна
и
образования
конических
ГО.1Овок, в
процессе
соответствующей
механической
обработки
стеклянных
пластин
с
получением
тетраэдрических
головок,
в
процессах
полимерной
прессовки,
а
также
в
силиконовой
(нитридной
или
оксидной)
технике
микропроизводства.
Головки
на
конце
стеклянных
волноводов
имеют
то
значимое
преимущество,
что
направление
света
в
коническую
область
можно
осуществлять
путем
возбуждения волноводных
~ЮД
на
противоположном
конце
волновода.
Последние
два
типа
головок
могут
быть
установлены
на
сколах
(разрезах)
волокна.
Ниже
мы
обсудим
наиболее
значимые
~Iетоды,
используемые
при
создании
острых
диэлектрических
головок.
6.1.1.
Оптические
головки,
сходящие
на
конус.
Схождение
на
конус
опти
ческого
волокна
может
быть
получено
путем
химического
травления
или
местного
нагрева
с
последующим
вытягиванием.
Здесь
мы
сравним
возможности
различных
техник
травления
и
вытягивания
и
обсудим
их
свойства,
преимущества
и
недостатки.
170
Гл.
6
Занды
для
микроскопии
ближнего
ПОЛЯ
Травление
Химическое
травление
стеклянных
волокон
представляется
довольно
привлека
тельным
методом,
потому
что
позволяет
организовать
производство партий
изделий
с
одновременным
получением
большого
числа
идентичных
головок.
Изначально
травление
стеклянных
волноводов
осуществлялось
с
использованием
метода
Тернера
(Тигпег)
[1,
2].
Волокно
освобождалось
от
пластиковой
оболочки
и
погружалось
в
40-процентный
раствор
HF.
Как
правило,
сверху
добавлялся
тонкий
слой
органиче
ского
раствора,
во-первых,
для
контроля
высоты
мениска
раствора
HF,
образующего
ся
на
стеклянном
волокне,
и,
во-вторых,
для
предотвращения
возникновения
опасных
испарений,
исходящих
из
травильного
аппарата.
Используя
различные
органичеСI\ие
вещества
для
этих
растворов,
можно
было
влиять
на
величину
угла
схождения
на
конус
[4].
Большие
углы
схождения
необходимы,
как
мы
увидим,
для
увеличения
пропускной
способности
зонда.
Формирование
конуса,
осуществляемое
по
~leToJ.Y
Тернера,
происходит
потому,
что
высота
мениска
определяется
диаметром
цилиндри
ческого
волокна.
Начальная
высота
мениска
зависит
от
типа
органического
верхнего
слоя.
Так
как
диаметр
волокна
в
процессе
травления
сужается,
уровень
l\Iениска
понижается,
таким
образом
более
высокие
участки
волокна
перестают
участвовать
I
~
I
~
I
~
I
ШШШLJ
Рис
6
1.
Схема
травления
по
методу
Тернера
Высота
мениска
40-процент
ного
HF-раствора
падает
при умень
шении
диаметра
волокна
в
процессе
травления
Предполагается,
что
про
цесс
остановится
в
момент
оконча
ния
процесса
формирования
Более
де-
тальное
описание
см
в
[3]
в
процессе.
В
конце
концов
диаметр
волокна
становится
нулевым
и
процесс
травления
вооб
ще
говоря,
по
идее,
должен
прекратиться
ca~1
собой.
Развитие
процесса
во
времени
показано
на
рис.
6.1.
Описанный
метод
выглядит
довольно
при
влекательно,
но
у
него
тем
не
менее
есть
суше
ственные
недостатки.
Во-первых,
процесс
в
ре
альности
не
останавливается
самопроизвольно
Диффузия
небольших
молекул
HF
в
органи
ческий
раствор
верхнего
слоя
начинает
разру
шать
головку,
если
ее
не
вынуть
из
вещества
сразу
по
окончании
процесса
формирования
Во-вторых,
поверхность
конуса,
как
праВИ,10,
является
довольно
шероховатой.
Скорее
все
го,
причина
этой
шероховатости
заключается
в
том,
что
мениск
HF-раствора
понижается
в
процессе
травления
не
непрерывно
и
не
гладко,
а
скорее,
совершая
скачки
от
одного
равновесного
положения
к
другому.
Это
при
водит
К
возникновению
ограненной,
довольно
шероховатой
поверхностной
структуры,
которая
может
вызвать
ВПОС,lеJ.
ствии
проблемы,
например
с
весьма
посредственной
прозрачностью
металлического
покрытия
Эти
проблемы
с
шероховатостью
можно
решить,
при
меняя
так
называе~IЫЙ
метод
пробирочного
травления
[5].
В
этом
методе
волокно
погружается
в
раствор
с
органическим
верхним
слоем
(р-ксилена
или
изооктана)
без
снятия
его
пластиковой
оболочки.
В
стандартных
оптических
волокнах
их
пластиковые
оболочки
ХИl\lически
устойчивы
к
HF.
На
рис.
6.2
схематически
показано,
как
происходит
процесс
трав
ления
в
случае:
а)
НF-проницаемого
и
б)
НF-непроницаемого
покрытия.
На
вставках
расположены
фотографии
травленого
волокона
в
момент
травления.
Разные
типы
покрытия
приводят
К
разным
способам
формирования
головки.
Для
более
детального
ознакомления
отсылаем
читателя
к
исходной
публикации
[5]
На
рис.
6.3
показаны
типичные
образцы
конических
головок,
полученные
этими двумя
различными
~leTo
дами.
Обратите
внимание,
насколько
различается
шероховатость
в
методе
Тернера
и
пробирочном
методе.
б
1
Диэлектрические
зонды
171
Рис
62
ЭВОJ1ЮЦИЯ
процесс
а
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
172
Гл
б
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
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
в
1970
г.
[8]
в
институте
биофизической
химии
Макса
Планка
(Геттинген,
Германия)
В
1991
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