плазмонная микроскопия. Учебнометодическое пособие для маги странтов первого года обучения по программе магистратуры Физика атомов и мо лекул
 Скачать 4.98 Mb.
|
КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ «ПЛАЗМОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ» Казань 2015 Печатается по решению Редакционно-издательского совета Института физики УДК 535.3 Харинцев С.С., Методическое пособие. Учебно-методическое пособие для маги- странтов первого года обучения по программе магистратуры «Физика атомов и мо- лекул». Казань 2015, 40 с. Учебно-методическое пособие освещает физические принципы плазмонной микроскопии высо- кого разрешения для визуализации и диагностики одиночных молекул и/или их групп и расска- зывает о современных достижениях в этой области. В пособии дается краткое описание механиз- ма управления оптическими полями на субволновых масштабах с помощью оптических антенн. Рассматриваются сильная фокусировка лазерных мод высокого порядка и управление продоль- ной компонентой электрического поля. Особое внимание уделено методу гигантского комбина- ционного рассеяния света. Пособие знакомит читателя с основными элементами многофункцио- нального аналитического комплекса «ИНТЕГРА СПЕКТРА» и дает методические указания для проведения оптических и спектроскопических измерений. Рецензент: профессор, д.ф.-м.н., Самарцев В.В., КФТИ, КазНЦ РАН Институт физики Казанского (Приволжского) Федерального университета, 2015. ВВЕДЕНИЕМикроскопия представляет собой совокупность методов визуализации и диа- гностики широкого класса объектов с помощью различных физических инструмен- тов. Если в качестве последних используются электромагнитные волны (фотоны), то мы имеем дело с оптической микроскопией. В случае электронов и твердотель- ных зондов – с электронной и зондовой микроскопией, соответственно. В зависимо- сти от диапазона длин волн электромагнитного излучения различают световуюмикроскопию (видимый диапазон – от 350 нм до 800 нм), инфракрасную микроско- пию (800 нм – 100 мкм) и терагерцовую микроскопию (субмиллиметровый диапа- зон – от 100 мкм до 1000 мкм). Видимый и ближний инфракрасный диапазоны иг- рают исключительно важную роль в оптической микроскопии, поскольку в этих диапазонах происходит резонансное взаимодействие света и вещества. Указанные диапазоны наиболее востребованы на практике и широко используются в самых разных технологиях в электронике, телекоммуникациях, медицине и др. Физические принципы методов оптической микроскопии основаны на четырех фундаментальных характеристиках электромагнитной волны: E(t) E0 cos(t ), E0 E0n (1) Амплитуда электромагнитной волны E0 или ее интенсивность I|E|2 легли в ос- 0  нову светлопольнойи темнопольноймикроскопии.1-3 Изменение фазы волны ис- пользуется в методе фазовогоконтраста,2 частота (цвет) или длина волны излу- чения 2с ( с– скорость света в вакууме) – в фотолюминесцентной микро- скопии,2,3 направление поляризации n (единичный вектор) – в поляризационной и интерференционной микроскопии.2 Важно отметить, что стабильность или устой- чивость этих параметров при управлении (отражение, преломление и т.д.) свето- выми потоками с помощью оптических элементов убывают в следующей последо- вательности: частота, амплитуда, фаза и поляризация. Это означает, например, что сложнее всего «сохранить» поляризацию электромагнитного излучения, тогда как его частота в наименьшей степени подвержена флуктуациям во времени и про- странстве. Современные оптические микроскопы, как правило, позволяют прово- дить измерения и получать информацию об объекте на основе всех выше указан- ных методов.2 Основными характеристиками оптического микроскопа являются простран-ственноеразрешениеи контраст. Пространственное разрешение определяется как такое минимальное расстояние между двумя точками в плоскости образца xsample (см. рис. 1) или в плоскости изображения ximage , при котором главный дифракци- онный максимум изображения первой точки I(x) совпадает с первым дифракцион- ным минимумом изображения второй точки (это расстояние часто называют радиу- сом диска Эйри [Airy]), т.е.: xsample 0.61 NA или ximage 0.61 M , (2) NA NA nsin max числовая апертура, n– показатель преломления, max угол апер- туры, M– увеличение микроскопа. Улучшить пространственное разрешение в оп- тической микроскопии можно тремя способами: 1) уменьшить длину волны света , 2) увеличить показатель преломления среды nи 3) уменьшить фокусное рассто- яние линзы fили увеличить угол апертуры max . В качестве грубой оценки пре- дельного пространственного разрешения или дифракционногопределаАббеис- пользуют величину 2 , хотя в действительности, пространственное разрешение может быть на 20-30% меньше дифракционного предела. В соответствии с крите- рием Рэлея две точки можно разрешить, если интенсивность между ними уменьша- ется более чем на 25% (см. рис. 1).  Рис. 1. Изображение двух точек в плоскости образца. Контраст изображения – это различие яркостей исследуемого объекта Is (x) и фона Ib (x) . Математически контраст можно определить следующим образом: 2 |Is Ib| . (3) |Is Ib| Если эта величина составляет менее 5%, то изображение невозможно отличить от фона, даже если разрешающая способность микроскопа позволяет различить дета- ли объекта. На контраст влияют как свойства объекта, которые меняют световой поток по сравнению с фоном, так и способность микроскопа детектировать незна- чительные изменения в световых потоках. Именно благодаря контрасту можно ви- зуализировать, например, двумерные кристаллические пленки (графен, сульфид молибдена, нитрид бора и др.) толщиной менее 1 нм ( ) с помощью обычного оптического микроскопа, при условии, что их латеральные размеры много больше длины волны света. |