研究人員實現了新型光學顯微鏡原子精度的觀測

該圖示出孔徑為5000納米（nm）±1 nm的陣列。光圈通過玻璃幻燈片上的金屬膜。用光學顯微鏡成像孔徑陣列導致孔徑間距的明顯誤差。這些間隔允許研究人員校正成像誤差。該校準過程能夠精確測量大圖像上的位置。圖片來源：美國國家標準與技術研究所

在過去的二十年里，科學家們發現光學顯微鏡可以用來探測、跟蹤和成像物體，它們比傳統的可見光波長的一半小，或者幾百納米。

這項開創性研究，獲得了2014年度諾貝爾化學獎，使研究人員能夠追蹤受精卵中的蛋白質、觀察分子如何在大腦中的神經細胞之間形成電連接，並研究微型馬達的納米級運動。

現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究進展使顯微鏡能夠以一個新的精度水平來測量這些納米級細節。

美國國家標準與技術研究所的Samuel Stavis作為這些項目的項目負責人說：「我們把顯微鏡放在顯微鏡下，以達到接近原子尺度的精度。」

由於光學顯微鏡在傳統上還沒有被用於研究納米級，因此它們通常缺少與標準的校準比較，以檢查結果是否正確，以獲得在該尺度下準確的信息。顯微鏡可以精確地、一致地指示單個分子或納米顆粒的相同位置。然而，同時，它可以是高度不準確的，由顯微鏡所識別的物體在第十億米以內的位置，實際上可能是百萬分之一米，因為不存在錯誤。「精度不精確可能會非常誤導研究人員，」美國國家標準與技術研究所的聯合作者Jon Geist說。

為了解決這個問題，美國國家標準與技術研究所開發了一種新的校準過程，密切檢查和糾正這些成像誤差。該方法使用具有眾所周知和穩定的參考材料對象，這些對象具有大規模生產和廣泛分布到各個實驗室的潛力。

這是重要的，因為光學顯微鏡在實驗室儀器中是很常見的，可以很容易地放大不同的樣品，從精緻的生物樣品到電氣和機械設備。同樣，光學顯微鏡正變得越來越有能力和經濟性，因為它們將智能手機中的燈光和攝像機的科學版本結合起來。

美國國家標準與技術研究所團隊依靠納米級的製造工藝來開發參考材料。研究人員利用電子束和離子銑削通過玻璃載玻片上的鉑薄膜形成針孔陣列。該過程使團隊能夠將孔間隔5000納米，精度達到約1納米。這樣，研究人員在光圈位置上建立了一種精確的測量方法。

通過光圈陣列的閃光產生一組成像點。但是由於所有的顯微鏡鏡片都有缺陷，所以在成像過程中不可避免地會出現誤差，這些變化會改變點的視位置，使得孔之間的間距看起來比團隊所設計的實際間距大或小。真正間距的知識允許校正成像誤差和顯微鏡的校準，以在寬視場中以高精度測量位置。

即使是一個小錯誤也會導致一個大問題。例如，當製造商指定的預期放大倍數為100倍時，實際放大倍數為103倍的顯微鏡。結果3%的誤差在顯微鏡圖像上相加了很大的距離。由於透鏡缺陷，顯微鏡放大倍數也會發生變化，導致圖像失真。為了解決這個問題，美國國家標準與技術研究所團隊設計了在大視場中工作的孔徑陣列和校準過程。

孔徑陣列，這將使個別研究人員在自己的實驗室進行校準，可以提高10000倍，光學顯微鏡的能力，準確定位單分子和納米粒子的位置。

Stavis及其同事包括美國國家標準與技術研究所的第一作者Craig Copeland和馬里蘭大學的馬里蘭納米中心的研究人員，在最近發表在《Light: Science & Applications》雜誌中報道了他們的發現。

「我們已經確定並解決了一個被低估的問題，」Copeland說。

利用陣列校準了它們的光學顯微鏡，研究小組扭轉了這個過程，用顯微鏡來識別納米加工過程中的原型陣列中的缺陷。我們測試了納米加工的限制來控制光圈間距，」美國國家標準與技術研究所的Rob Ilic說。光學顯微鏡的便利性和速度可以促進孔徑陣列在生產過程中的質量控制。

最後，團隊利用孔徑陣列的固有穩定性來評估熒光納米顆粒是否經常被固定在特定的點，或者如果它們移動的話，通常被用作光學顯微鏡中的固定參考點。研究人員發現，儘管光學顯微鏡的無意運動使納米顆粒的視野模糊，在孔徑陣列中顯示納米顆粒實際上並沒有在原子尺度上移動。

來源：https://phys.org/news/2018-05-team-optical-microscope-atomic-accuracy.html

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