基于微球透镜的超分辨光学成像调控方法与原位检测技术

The development of biomedicine and material science has generated an urgent need for the super-resolution microscopy technology based on the visible light. The micro spherical lens will transform the evanescent wave that carrying object details into transmitted wave, realizing the super-resolution imaging for objects smaller than 100nm. It has a significant application prospect in the real-time dynamic imaging areas. To promote the development and application of super-resolution optical imaging and improve the magnification and contrast of micro spherical lens imaging, this project will study on the high-accuracy and super-resolution imaging method of measured objects (especially in solution) based on the optical imaging mechanism and carry out the nondestructive, in situ and real-time dynamic detection of micro samples. The key research is to study on the cross-media (air-liquid) super-resolution imaging mechanism based on micro spherical lens. The optical models of micro spherical lens, infiltration of liquid and manipulating tools will be built up. Simultaneously, the facts that micro force influences the imaging quality between multi-phase interfaces will be analyzed when micro spherical lens operating among different medias and manipulation technology of micro spherical lens will come true. Also, a multi-robot cooperating system will be set up to make micro spheres array be controlled accurately. The real-time, in situ and quick scanning detection of micro objects in biomedicine, material science will be realized and a super-resolution imaging and optical measurement system will be set up via image-spliced and expanded imaging areas.

生物医学、材料科学的发展对基于可见光的超分辨显微技术产生了迫切的应用需求。微球透镜能将携带物体细节的倏逝波转变成可传输的波，从而实现100nm尺寸以下对象的超分辨成像，在实时动态成像等领域具有重要的应用前景。为促进超分辨光学成像发展与应用，提高微球透镜成像放大率和对比度，本项目基于微球透镜超分辨光学成像机理，研究被测对象（尤其是溶液中样品）高精度超分辨成像方法，开展微观样品对象的无损、原位、实时动态检测。重点研究基于微球透镜的跨介质（气-液）超分辨成像机理，建立微球透镜、浸润液体以及操作工具的光学模型；分析微球透镜跨介质操作中多相界面间微观力对成像效果的影响，并解决微球透镜的跨介质操作问题；建立多机器人协同操控系统，实现多微球阵列精准调控。通过图像拼接扩大成像区域，实现生物医学、材料学等微观对象的原位实时快速扫描检测，构建超分辨成像和光学测量系统。

微球透镜能将携带物体细节的倏逝波转变成可传输的波，从而实现100nm尺寸以下对象的超分辨成像，在实时动态成像等领域具有重要的应用前景。为促进超分辨光学成像发展与应用，提高微球透镜成像放大率和对比度，本项目基于微球透镜超分辨光学成像机理，研究被测对象高精度超分辨成像方法，开展了微观样品对象的无损、原位、实时动态检测。重点研究了基于微球透镜的跨介质超分辨成像机理，建立微球透镜、浸润液体以及操作工具的光学模型；分析了微球透镜跨介质操作中多相界面间微观力对成像效果的影响，并解决微球透镜的跨介质操作问题。首先通过对不同样品的超分辨观测实验，验证了该微球透镜多维自动化操作系统的实用性与灵活性。通过探针粘附的微球透镜实现了对蓝光光盘底部条纹的超分辨成像。通过探针控制微球透镜对蓝光光盘底部扫描成像，并将图像拼接在一起，实现了连续区域大范围超分辨成像。通过操作微球透镜对倾斜的蓝光光盘底部进行扫描观测，证明了该操作系统具有三维扫描超分辨成像的能力。通过微球透镜实现了对结构复杂的字母图案的超分辨观测，以及大鼠肝脏切片等生物样品的放大显微观测，验证了该操作方式的灵活性。其次设计并搭建了基于“球-冠”复合探针的自动扫描平台。将直径为150μm、250μm和450μm的钛酸钡微球分别制作成“球-冠”复合探针，利用蓝光光盘检验出150μm和250μm的复合透镜在空气中可以实现超分辨成像，通过电极芯片确定了复合透镜的极限分辨率为90nm。“球-冠”复合透镜浸没在水中和酒精中也可以实现超分辨成像，在水中的成像质量高于酒精中，且在水中的放大倍数更高。在成像视野方面，“球-冠”复合透镜极大的提高了微球超分辨成像的区域，减少了图像获取的次数。利用自动扫描拼接成像系统，在空气中分别获取了蓝光光盘和芯片电路结构的大视场拼接图像。