Разработка оптических методов исследования объектов с дифракционным и субдифракционным пространственным разрешением

• Автор: Парфенов, Петр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 167 с. : ил.

Содержание

Введение
Глава I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ С ДИФРАКЦИ
ОННЫМ И СУБДИФРАКЦИОННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
1Л. Оптическая микроскопия с дифракционным пространст
венным разрешением
1Л Л. Люминесцентная микроскопия
1Л .2. Микроскопия комбинационного рассеяния света
1Л .3. Техника оптической микроскопии с дифракционным
пространственным разрешением
1.2. Атомно-силовая микроскопия
1.3. Апертурная и безапертурная ближнепольная сканирую- 25 щая оптическая микроскопия
1.3.1. Варианты оптических схем ближнепольного скани- 30 рующего оптического микроскопа
1.3.2. Применение техники атомно-силовой микроскопии в 34 ближнепольной оптической микроскопии
1.4. Выводы
Глава II. БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ С
СУБДИФРАКЦИОННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
2.1. Туннельный ближнепольный микроскоп
2.2. Безапертурный спектрометр ближнего поля
2.2.1. Разработка структурной схемы спектрометра
2.3. Особенности изготовления и оптимизации параметров 59 зондов для рамановского спектрометра ближнего поля
2.3.1. Формирование металлических острий зондов

2.3.2. Метод определения оптимальных резонансных опти- 70 ческих характеристик металлических острий
2.3.3. Способ изготовления зонда для рамановского спек- 75 трометра ближнего поля
2.4. Система регулирования расстояния острие-образец
2.5. Сопряжение систем позиционирования спектрометра
2.6. Особенности системы регистрации оптических сигналов 91 спектрометра
2.6.1. Выбор и оптимизация параметров одноканального де- 93 тектора излучения
2.6.2. Разработка алгоритма управления и программного 99 обеспечения работы спектрометра в одноканальном режиме
2.7. Демонстрация возможности получения спектров КР 105 Се/Бі наноструктур с субдифракционным пространственным разрешением
2.8. Выводы
Глава III. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ С ДИФРАКЦИОННЫМ
РАЗРЕШЕНИЕМ: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ МИКРОЧИПОВ
3.1. Биологические микрочипы
3.2. Разработка видеоанализатора биочипов
3.3. Демонстрация возможности проведения диагностики 128 туберкулеза
3.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Листинг программы управления работой спектромет- 145 ра ближнего поля в одноканальном режиме

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов
ACM Атомно-силовой микроскоп
БСОМ Ближнепольный сканирующий оптический микроскоп
БП Ближнепольный(-ая)
ГКР Гигантское комбинационное рассеяние - употребляемый в русскоязычной литературе аналог SERS
ГОИ Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова
ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота
ИМБ Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
КР Комбинационное рассеяние света (римановское рассеяние)
НАДФ Никотинамидадениндинуклсотидфосфат.
НИР Научно-исследовательская работа
ПВО Полное внутреннее отражение
ПЗС Прибор с зарядовой связью
по Программное обеспечение
РТП Растровый туннельный профилограф
СД Синхронный детектор
сзм Сканирующий зондовый микроскоп
стм Сканирующий туннельный микроскоп
тсом Туннельный сканирующий оптический микроскоп
ФП Флавопротеиды
ФЭУ Фотоэлектронный умножитель
LSCM Лазерная сканирующая конфокальная микроскопия
NA Numerical aperture - числовая апертура
SERS Surface-enhanced Raman scattering — усиленное поверхностью рамановское рассеяние
TERS Tip-enhanced Raman Scattering - рамановское рассеяние, усиленное металлическим острием
XY Двумерное
XYZ Трехмерное
Shear force Микроскопия бокового сдвига

Ряд безапертурных методов прямо совместим с ACM режимом - в них атомно-силовой кантилевер с острием является и оптическим зондом. Но для апертурных методов и ряда безапертурных (например, с использованием металлических острий) подходящим оказался метод поперечно-боковой микроскопии («shear-force»). Это связано с тем, что реализовать эффективную резонансную систему из волокна с зондом на конце, или из металлического острия, можно только при возбуждении поперечных колебаний.
Для регистрации взаимодействия возбуждают боковые механические колебания зонда, расположенного перпендикулярно плоскости образца, на частоте механического резонанса (10-100 кГц). Механическая система из острия и возбуждающего элемента представляет собой эффективный гармонический осциллятор. Когда острие находится далеко от поверхности объекта, добротность системы Q достигает величины 50 - 100 (иногда и выше) и амплитуда колебаний максимальна. (Q = co/Fc , где Fc — частота резонанса, а со — полуширина максимума на кривой зависимости амплитуды от частоты).
При приближении зонда к исследуемой поверхности на расстояние менее 20 нм за счет взаимодействия зонда с поверхностью происходит демпфирование боковых колебаний, амплитуда колебаний уменьшается, фаза изменяется, а атомно-силовой сигнал падает, причем степень демпфирования возрастает по мере сокращения расстояния. Силы, вызывающие изменение амплитуды боковых колебаний, и называются «силами бокового сдвига» (shear force). Величина силы сдвига, действующей на зонд, обычно лежит в пределах от сотен пН до нескольких нН в зависимости от амплитуды колебаний, жесткости и фактора
добротности колебательной системы. Этот сигнал через цепь обратной связи

подается на тонкую Z-подвижку образца и используется для поддержания расстояния зонд - поверхность образца. Этот же сигнал используется для формирования изображения микротопографии поверхности. Таким образом одновременно формируется изображение поверхности за счет неоднородности оптического (ближнего) поля и изображение топографии объекта за счет сил атомного взаимодействия. Надо отметить, что разрешение топографического