高折光指数聚合物杂化胶体微球的设计制备及其光学超分辨成像

Optical microscope provides a unique and direct approach to study the microscopic world ranging from biological systems to nano-materials. However, it suffers from a limited resolution of about 200 nm under visible lights due to optical diffraction limit. It is highly desirable but remains big challenge to develop high-resolution (<100 nm) even super-resolution (<50 nm) in visible. In this project, we will design and prepare polymer hybrid colloid spheres with high inorganic content, high refractive index and high optical transparency for solid immersion lens (SIL). After investigating the effects of the contents and diameters of inorganic nanoparticles, the sizes and shapes of colloidal spheres on the SIL’ imaging behavior, on the one hand, we hope to master the methods and technologies for preparation of the polymer hybrid colloid spheres with high inorganic content, high refractive index and high optical transparency; On the other hand, we hope to deep understand the super-resolution imaging mechanism of polymer/inorganic hybrid spheres as SILs, and provide theoretical and experimental bases for further developing polymer sphere-based super-resolution imaging lens and its optical microscope.

光学显微镜虽然能提供从生物体系到纳米材料与器件独特和直观的观察，但由于受光学衍射限制，其可见光下的最大分辨率为200纳米，如何进一步提高其分辨率使其达到100纳米甚至50纳米以下是广大科技工作者一直追求的目标。本项目通过设计制备高无机含量、高折光指数和高光学透明的聚合物杂化胶体微球，以这种胶体微球为固体浸润透镜，通过研究无机粒子含量及其粒径、胶体微球尺寸与形状等对微球透镜的光学成像行为的影响，一方面，掌握高无机含量、高折光指数、高光学透明的聚合物杂化胶体微球合成方法与技术；另一方面，深入理解聚合物-无机杂化胶体微球作为透镜的光学成像和超分辨率成像机理，为进一步发展新型超高分辨率聚合物胶体微球透镜制备技术和光学显微镜技术提供理论和实验依据。

光学显微镜是研究活体生物组织、生物分子以及其它一些与传统电子显微镜的高真空环境所不兼容物质的实时成像的一种不可或缺的工具。然而，由于阿贝衍射极限，传统光学显微镜不能捕捉物体小于λ/2（λ为光的波长）的特征，在白光下这一分辨率极限约为200 nm。本项目围绕胶体微球的合成和构筑新方法，尤其是通过设计制备了高无机含量、高折光指数和高光学透明的聚合物杂化胶体微球用作固体浸没透镜（SIL），最高分辨率可以大幅度提高到45nm。同时，采用纳米固流体技术和纳米压印技术相结合，在样品表面组装了大面积的TiO2 SIL阵列，从而实现大视野面积的超分辨率光学成像。在光学显微镜下，TiO2 SIL阵列可以实现45 nm大视野的超分辨率光学成像。进一步将TiO2 SIL阵列封装到透明胶带中，制备了可转移TiO2 SIL阵列，实现75 nm大视野的超分辨率光学成像。通过本项目，深入理解了聚合物-无机杂化胶体微球作为透镜的光学成像和超分辨率成像机理，为进一步发展新型超高分辨率聚合物胶体微球透镜制备技术和光学显微镜技术提供理论和实验依据。同时，也进一步拓展了胶体微球在其他方面的性能和应用。已发表和待发表论文11篇，申请中国和美国专利各1项，培养博士生6名。