Система оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале
SYSTEM FOR OPTICAL DETECTION AND VISUALIZATION OF NANOOBJECTS WITH SUBDIFFRACTION RESOLUTION IN A MICROCHANNEL

Изобретение относится к микрокюветам и оптическим методам обнаружения на основе явления «фотонной струи» и «фотонного крючка», в частности, для исследования присутствия и размера нанометрических объектов в жидких и газовых средах.
Задача мониторинга наночастиц окружающей среды является актуальной в современном мире. Таким образом, существует потребность в разработке недорогих и миниатюрных устройств с высоким разрешением, способным в режиме реального времени обнаруживать на месте и определять характеристики отдельных наноразмерных объектов для различных применений в материаловедении, биомедицинских исследованиях, здравоохранении, диагностики и мониторинга окружающей среды.
Оптическая микроскопия широко используется в случае визуализации объектов с помощью оптического излучения. Однако фундаментальным ограничением обычной оптической микроскопии является то, что дифракция света ограничивает пространственное разрешение половиной длины волны, или ~200 нм в области видимой длины волны. Методы и устройства оптического обнаружения и визуализации, которые могут преодолеть дифракционный предел, в настоящее время либо основаны на громоздких и дорогостоящих приборах, либо требуют внедрения фотонных структур, изготовленных с помощью сложных процессов нанопроизводства.
.
Фотонные наноструи это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе мезоразмерной диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (n≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4, фотонный крючек это искривленная фотонная струя на расстоянии порядка длины волны излучения [Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Boris S. Luk'yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) https://doi.org/10.1364/OME.7.001820, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. GeintsLocalized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin), 1-7 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132].
Недостатком известных диэлектрических мезоразмерных устройств, формирующих фотонную струю является невозможность их работы в режиме отражения падающего излучения.
Известны фокусирующие устройства, формирующие фотонную струю в режиме на «отражение» падающего излучения, состоящие из плоского зеркала, на поверхности которого расположена диэлектрическая мезоразмерная частица [Патенты РФ 160834, 182549].
Известно фокусирующее устройство, работающее в режиме на «отражение» падающего излучения и формирующее фотонный крюк [Патент РФ 202241]. Отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси. Диэлектрическая пластина выполнена вогнутой и расположена непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняет впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин.
Известны фокусирующие устройства в виде цилиндрически вогнутых зеркал, формирующих фотонные струи [Wen Yang, Rong Gao, Yimin Wang, Song Zhou. Reflective photonic nanojets generated from cylindrical concave micro-mirrors // August 2020Applied Physics A 126(9):1-8, DOI:10.1007/s00339-020-03918-3 ; Cheng-Yang Liu, Hung-Ju Chung, and Hsuan-Pei E, "Reflective photonic hook achieved by a dielectric-coated concave hemicylindrical mirror," J. Opt. Soc. Am. B 37, 2528-2533 (2020) https://www.osapublishing.org/josab/abstract.cfm?URI=josab-37-9-2528]. Для вогнутого зеркала, погруженного в воду с углом раствора прорядка θ=100°, ширина фотонной струи может достигать около 0.3λ, где λ - длина волны используемого излучения.
Однако при рассмотрении вопроса об фокусировке зеркальными элементами излучения в «фотонную струю» или «фотонный крючек» устройство оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале не было предложено.
Известны устройства оптического обнаружения и визуализации нанообъектов в микроканалах, например, US Patent 20110291026, Optically accessible microfluidic diagnostic device. Эти устройства показали высокую эффективность для обнаружения биомолекул.
Недостатком таких устройств является их низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционный предел.
Известен оптический датчик по патенту PCT 2014055559 «Microfluidic sensors with enhanced optical signals» для обнаружения анализируемого вещества в жидкости. Датчик содержит металлические наноструктуры, на поверхность которых нанесен улавливающий агент, при этом улавливающий агент специфически связывается с анализируемым веществом. Нанодатчик может усиливать световой сигнал от анализируемого вещества или световой метки, прикрепленной к анализируемому веществу, когда последний связан или находится вблизи улавливающего агента.
Недостатком устройства является невозможность определения размера нано-объектов из-за отсутствия фокусирующих устройств с высоким пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Известен датчик светового поля, заявка на патент США №2014004361 1, который имеет слой наноразмерных резонаторных детекторных элементов, таких как кремниевые нанооболочки, под слоем диэлектрических микролинз. Используя преимущества фотонных наноструй в микролинзах и циркулирующих резонансов в нанооболочках, датчик светового поля обеспечивает повышенную чувствительность. Однако устройство не предназначено ни для обнаружения нанообъектов, ни для интеграции с микрофлюидным компонентом и не предназначено для работы в режиме отражения излучения при формировании «фотонной струи».
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту WO 2016020831 A1, System for optical detection and imaging of sub-diffraction-limited nano-objects. Система оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале состоит из микроканала, приспособленного для прохождения через него текучей среды с нанообъектами, ограниченного, нижней стенкой и потолочной стенкой, расположенной напротив и обращенной к нижней стенке, указанная нижняя стенка содержит прозрачную подложку, фокусирующих устройств, выполненных в виде массива микролинз, формирующих фотонные струи внутри текучей среды между нижней стенкой и потолочной стенкой, при том микролинзы располагаются на нижней стенке, источника оптического излучения освещающего микролинзы через прозрачную подложку нижней стенки, микролинзы фокусируют свет в виде фотонной наноструи, устройства регистрации рассеянного света нанообъектом и устройства перемещения нанообъекта.
Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.
Задачей настоящего изобретения является разработка системы оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале, при формировании «фотонной струи» или «фотонного крюка» в режиме отражения падающего излучения.
Поставленная задача решается тем, система оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале состоящая из микроканала, приспособленного для прохождения через него текучей среды с нанообъектами, ограниченного, нижней стенкой и потолочной стенкой, расположенной напротив и обращенной к нижней стенке, указанная нижняя стенка содержит прозрачную подложку, фокусирующих устройств, формирующих фотонные струи внутри текучей среды между нижней стенкой и потолочной стенкой, источника оптического излучения освещающего фокусирующие устройства через прозрачную подложку нижней стенки и, таким образом, фокусирует свет в виде фотонной наноструи, устройства регистрации рассеянного света нанообъектом и устройства перемещения нанообъекта, согласно изобретению, на внутренней поверхности потолочной стенки выполнен массив зеркальных антенн с высокой отражающей способностью и заполненных текучей средой, кроме того, зеркальная антенна выполнена с цилиндрической формой поверхности, зеркальная антенна выполнена с плоской поверхностью покрытой диэлектриком, поверхность зеркальной антенны с высокой отражающей способностью, формирующей фотонную струю в форме фотонного крюка имеет частичное сплошное покрытие.
На Фиг. 1 показана схема заявляемого устройства с фокусирующими устройствами, формирующими фотонную струю.
На Фиг. 2 показана схема заявляемого устройства с фокусирующими устройствами, формирующими фотонный крючок.
На Фиг. 3 приведены результаты математического моделирования формирования фотонной струи цилиндрической зеркальной антенной в микроканале заполненного водой.
2
На Фиг. 4 показана фотонная струя, сформированная при отражении волны с плоским фронтом от плоского экрана с высокой отражающей способностью, с расположенной на нем прямоугольной диэлектрической частицы. Длина фотонной струи в данном примере составляет 15 длин волн падающего излучения. Результаты моделирования проводились с помощью численного решения уравнений Максвелла. Фотонная струя была сформирована при падении плоского волнового фронта излучением с длиной волны 671 нм на диэлектрик SiO с показателем преломления 1,46. Высота диэлектрической пластины на металлическом экране составляла 1 мкм.
На Фиг. 5 показан пример формирования фотонной струи в режиме на «отражение» диэлектрической мезоразмерной сферой диаметром 4λ и с показателем преломления равным 1,16, расположенной на плоском отражающем экране. Ширина фотонной струи составляет 0,48λ.
На Фиг. 6 приведены результаты математического моделирования формирования фотонного крюка в режиме на отражение излучения. Моделировался с помощью численного решения уравнений Максвелла фотонный крюк при падении электромагнитного излучения с длиной волны 671 нм на цилиндрическое составное зеркало из золота и диэлектрик с показателем преломления 1,61. Величина смещения половины цилиндрического зеркала вдоль оптической оси равнялось примерно 0,45λ.
Обозначения: 1 - источник оптического излучения, 2 - нижняя стенка микроканала, прозрачная для оптического излучения, 3 - потолочная стенка мироканала, 4 - зеркальные фокусирующие устройства, формирующие фотонную струю, 5 - нанообъект, 6 - текучая среда в микроканале, 7 - фотонная струя, 8 - приемник оптического излучения, 9 - зеркальные фокусирующие устройства, формирующие фотонный крючок, 10 - фотонный крючок.
Заявляемая система оптического обнаружения и визуализации нанообъектов с субдифракционным разрешением в микроканале работает следующим образом.
Источник света 1, например, лазер, светодиод или источник белого света расположен под нижней стенкой микроканала 2, выполненной из оптически прозрачного материала, например, из стекла, освещает потолочную стенку 3 микроканала. В потолочной стенке 3 микроканала расположены зеркальные фокусирующие устройства 4,9, формирующие фотонную струю 7 или фотонный крючок 10. Таким образом, происходит фокусировка оптического излучения в чрезвычайно малой области, менее дифракционного предела. Текучая среда 6 с диспергированными нанообъектами 5 транспортируется внутри микрожидкостного канала, последний реализуется путем обеспечения потолочной стенки 3 и оптически прозрачной стенки 2. Высота микроканала сопоставима с длиной фотонной наноструи 7 или фотонного крючка 10 и может составлять от длины волны используемого излучения до 10-15 длин волн. Когда нанообъект 5 проходит через фотонную струю 7 или фотонный крючок 10, интенсивность отраженного света значительно возрастает. Измерение отраженного света выполняется приемником оптического излучения 8. Существование и размер нанообъекта 5 определяются измерением.
Такой микроканал ограничен, нижней стенкой 2 и потолочной стенкой 3, расположенной напротив и обращенной к нижней стенке 2, при этом, по меньшей мере, одно зеркальное фокусирующее устройство 4,9 находится в фиксированном положении в потолочной стенке 3, обращенной к нижней оптически прозрачной стенке 2.
Для обеспечения прохождения нанообъектов через фотонную струю 7 или фотонный крючок 10 в текучей среде 6 содержащей нанообъекты 5 создается ненулевая поступательная скорость по отношению к фокусирующим устройствам для обеспечения прохождения нанообъектов 5, по меньшей мере, через область фотонной струи 7 или фотонного крючка 10, например, за счет использования микронасоса.
Фотонная струя может быт сформирована в режиме отражения излучения от формирующего устройства, выполненного, например, в виде плоского зеркала с расположенным на его поверхности диэлектрической мезоразмерной частицы различной формы или цилиндрического экрана с высокой отражающей способностью.
Фотонный крючок может быть сформирован в режиме отражения излучения от формирующего устройства, выполненного, например, в виде зеркальной антенны с высокой отражающей способностью и со частичным сплошным покрытием или цилиндрического экрана с высокой отражающей способностью частично покрытым диэлектрическим слоем материала.
Предлагаемое изобретение обеспечивает оптическую систему для использования при обнаружении и визуализации множества нанообъектов с субдифракционным разрешением при использовании зеркальных фокусирующих элементов.