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介质微球辅助检测 薄膜及其制备方法和超分辨检测方法

阅读：683发布：2023-01-22

专利汇可以提供介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测方法，介质微球辅助检测薄膜包括若干紧密连接的腔室，每个腔室中填充有一个介质微球，腔室和介质微球封装在壳体中，易于实现微球的均匀周期性排列，解决了介质微球均匀周期性排列的难题；通过改变介质微球的位置，实现对物体进行定域的超分辨检测；通过延展PDMS薄膜，改变介质微球空间形态，实现对物体监测性能的微操控；解决了介质微球必须依靠液体浸润法改变球内和球边界处的超分辨率的问题。，下面是介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种介质微球辅助检测薄膜，其特征在于，包括若干紧密连接的腔室(13)，每个腔室(13)中填充有一个介质微球(14)，腔室(13)和介质微球(14)封装在壳体(20)中。
2.根据权利要求1所述的一种介质微球辅助检测薄膜，腔室(13)和壳体(20)均采用PDMS制成。
3.一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对基底(1)处理，使基底(1)具有超亲水表面；
步骤2、在具有超亲水表面的基底(1)上制作柔性材料薄膜(9)，利用浇筑法和压印法在柔性材料薄膜(9)上制作出周期排布的腔室(13)，得到柔性腔室模板(18)；
步骤3、将介质微球(14)置于分散剂中，并搅拌均匀，得到含有介质微球(14)的均匀分散液；
步骤4、利用步骤3制得的含有介质微球(14)的均匀分散液，在柔性腔室模板(18)的腔室(13)中嵌入介质微球(14)，得到嵌有介质微球(14)的柔性薄膜；
步骤5、步骤4得到的对嵌有介质微球(14)的柔性薄膜进行封装，得到介质微球辅助检测薄膜(19)。
4.根据权利要求3所述的一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：先去除基底(1)表面的杂质，然后将基底(1)在去离子水中超声振荡3～5分钟，使得基底(1)表面具有亲水性。
5.根据权利要求3所述的一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：将液态的柔性材料倒在步骤1处理好的基底(1)上，通过甩胶机的转速控制柔性材料的膜厚；接着抽真空，消去柔性材料中的空气泡，得到柔性材料薄膜(9)；然后将光栅压在柔性材料薄膜(9)上，并将柔性材料薄膜(9)固化；然后从PDMS薄膜上剥离光栅，即可得到具有周期性的腔室(13)的柔性腔室模板(18)。
6.根据权利要求3所述的一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的柔性材料的折射率>1.4。
7.根据权利要求3所述的一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，介质微球(14)的折射率n1和柔性材料的折射率n2满足：18.根据权利要求3所述的一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：将含介质微球(14)的去离子水分散液滴在柔性腔室模板(18)上；然后抽真空，使含介质微球(14)的去离子水分散液填充在柔性腔室模板(18)的腔室(13)中；倾斜基底(1)，随着水分的蒸发，介质微球(14)在自身重力作用下，填充入腔室(13)中。
9.一种基于介质微球辅助检测薄膜的显微镜超分辨检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、把介质微球辅助检测薄膜(19)贴敷在待测物体(15)表面，调节介质微球辅助检测薄膜(19)和待测物体(15)之间的距离，利用光学显微镜观测，得到待测物体(15)的超分辨成像；
步骤2、移动介质微球辅助检测薄膜(19)，监测待测物体(15)不同部位的超分辨成像信息；
步骤3、拉伸介质微球辅助检测薄膜(19)，改变介质微球辅助检测薄膜(19)中介质微球(14)的形状，实现待测物体(15)不同程度的超分辨成像；
步骤4、重复步骤1至步骤3，直到通过介质微球辅助检测薄膜(19)中的介质微球(14)观测到清晰的超分辨成像图形。
10.根据权利要求9所述的一种基于介质微球辅助检测薄膜的显微镜超分辨检测方法，其特征在于，所述步骤1中，介质微球辅助检测薄膜(19)和待测物体(15)之间的距离满足倏逝波耦合传输的要求。

说明书全文

介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于微光学检测技术领域，涉及到微纳米制造领域、二氧化硅(SiO2)微球和聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的制造，亦涉及到物理光学以及几何光学对检测方法的分
析。具体涉及到基于模板诱导自组装的介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测
方法。

背景技术

[0002] 在纳光子学领域中，生物芯片、通信芯片、传感芯片和存储芯片等也都对纳米光学和光子学器件提出了高集成和超分辨的要求。

[0003] 现有超分辨技术中，有超分辨荧光显微技术、结构光照明显微技术、表面等离子体超分辨技术。超分辨荧光显微技术借助荧光染料在特定波长光源的照射下，发出荧光，揭示
出细胞内物质的转移、分布及定位等。这一技术虽然可以实现50nm的横向分辨率，但是需要
对样品进行染色，其应用范围受到很大的限制。结构光照明显微技术利用复杂的结构化光
场照射样品实现层析成像，改善光学显微镜的横向分辨率，但是其空间频率的较窄部分无
法使得分辨率进一步提升。表面等离子体超分辨技术利用表面等离子体干涉产生的驻波场
实现物体的超分辨成像，但是具有独特色散性质的人工材料本身存在着巨大的损耗，限制
了光束在其中的传播距离，导致成像放大率和成像对比度受限。因此，这些方法虽然可以实
现超分辨的检测，但是对样品的要求、系统的搭建、算法的操作、材料的要求、分辨率和对比
度的提升，使得它们的应用受到一定的限制。

[0004] 基于介质微球的超分辨检测，是能够突破光学衍射极限的超分辨成像技术，必将推动生物学、医学、材料科学、光学等学科的发展。

[0005] 介质微球超分辨实现方法可分为两种：(1)单微球直接作用成像；(2)浸没式、半浸没式介质微球超分辨成像。单微球直接超分辨监测法，由于单个微球的难以操纵，无法实现
对物体各处精细结构扫描成像。浸没式、半浸没式介质微球超分辨成像，增大了微球外界的
折射率，增大了成像的数值孔径，增强了倏逝波耦合传输的可能，但是外层液体减少了用于
成像的光线传输，使得其成像质量大幅度降低。因此，易操纵、成像质量高的介质微球超分
辨方法，是超分辨成像监测方向急需解决的难题。

发明内容

[0006] 为了克服现有微球超分辨检测技术的不易操纵与成像质量差等缺点，提供一种基于模板诱导自组装技术的介质微球辅助显微镜超分辨检测方法，该方法能够实现易于调节
的大视场、远场超分辨检测。

[0007] 为达到上述目的，本发明所述一种介质微球辅助检测薄膜，包括若干紧密连接的腔室，每个腔室中填充有一个介质微球，腔室和介质微球封装在壳体中。

[0008] 进一步的，腔室和壳体均采用PDMS制成。

[0009] 一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤1、对基底处理，使基底具有超亲水表面；

[0011] 步骤2、在具有超亲水表面的基底上制作柔性材料薄膜，利用浇筑法和压印法在柔性材料薄膜上制作出周期排布的腔室，得到柔性腔室模板；

[0012] 步骤3、将介质微球置于分散剂中，并搅拌均匀，得到含有介质微球的均匀分散液；

[0013] 步骤4、利用步骤3制得的含有介质微球的均匀分散液在柔性腔室模板的腔室中嵌入介质微球，得到嵌有介质微球的柔性薄膜；

[0014] 步骤5、步骤4得到的对嵌有介质微球的柔性薄膜进行封装，得到介质微球辅助检测薄膜。

[0015] 进一步的，步骤1的具体过程为：先去除基底表面的杂质，然后将基底在去离子水中超声振荡3～5分钟，使得基底表面具有亲水性。

[0016] 进一步的，步骤2的具体过程为：将液态的柔性材料倒在步骤1处理好的基底上，通过调节甩胶机转速控制柔性材料的膜厚；接着抽真空，消去搅拌与倾倒时柔性材料中产生
的空气泡，得到柔性材料薄膜；然后将光栅压在柔性材料薄膜上，并将柔性材料薄膜固化；
然后从PDMS薄膜上剥离光栅，即可得到具有周期性的腔室的柔性腔室模板。

[0017] 进一步的，所述步骤2中的柔性材料的折射率>1.4。

[0018] 进一步的，所述步骤3中，介质微球的折射率n1和柔性材料的折射率n2满足：1

[0019] 进一步的，步骤4的具体过程为：将含介质微球的去离子水分散液滴在柔性腔室模板上；然后抽真空，使分散液填充在柔性腔室模板的腔室中；倾斜基底，随着水分的蒸发，介
质微球在自身重力作用下，填充入腔室中。

[0020] 一种基于介质微球辅助检测薄膜的显微镜超分辨检测方法，包括以下步骤：

[0021] 步骤1、把介质微球辅助检测薄膜贴敷在待测物体表面，调节介质微球辅助检测薄膜和待测物体之间的距离，利用光学显微镜观测，得到待测物体的超分辨成像；

[0022] 步骤2、左右移动介质微球辅助检测薄膜，监测待测物体不同部位的超分辨成像信息；

[0023] 步骤3、拉伸介质微球辅助检测薄膜，改变介质微球辅助检测薄膜中介质微球的形状，实现待测物体不同程度的超分辨成像；

[0024] 步骤4、重复步骤1至步骤3，直到通过介质微球辅助检测薄膜中的介质微球观测到清晰的超分辨成像图形。

[0025] 进一步的，步骤1中，介质微球辅助检测薄膜和待测物体之间的距离满足倏逝波耦合传输的要求。

[0026] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

[0027] 一种介质微球辅助检测薄膜中均匀填充有一层介质微球，可利用介质微球辅助显微镜进行超分辨检测。

[0028] 一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，利用柔性薄膜固定介质微球，易于实现微球的均匀周期性排列，克服了其他超分辨方法中增加更远焦距的困难性和稳定性，同时
解决了介质微球均匀周期性排列的难题；本发明仅通过模板诱导自组装、匀胶、分离和热塑
固化柔性材料，制备出了能满足要求的薄膜。这与超分辨荧光显微技术相比，不必对待测物
进行染色和复杂的系统定位算法；与结构光照明显微技术相比，无需制造复杂的结构化光
场，且可以进一步提升分辨率；与表面等离子体超分辨技术相比，无需独特色散性质的人工
材料，对成像光波的损耗不明显，不会受限于成像对比度。

[0029] 一种基于模板诱导自组装技术的介质微球辅助显微镜超分辨检测方法，使显微镜成像区投射进较多的介质微球，更多的光线进入物镜，实现大视场的超分辨检测；同时介质
微球周期性地嵌入在腔室中，能够非常方便地调节介质微球和显微镜物镜的位置，实现物
体其他部位的超分辨检测。通过延展包裹有介质微球的柔性薄膜，改变介质微球的形状，可
以实现对待测物超分辨成像性能的微操控。这解决了单个介质微球用于超分辨时不易操纵
的难题。

[0030] 进一步的，利用介质微球(n1＝1.46，n1为SiO2的折射率)均匀地嵌入柔性材料中，由于两种材料的折射率满足：1球传播。增加了微球界面处的超分辨能力。这解决了介质微球必须依靠液体浸润法改变球
内和球边界处的超分辨率的问题。
附图说明

[0031] 图1为本发明中用于基底处理的过程示意图；

[0032] 图2为本发明中浇筑与压印过程示意图；

[0033] 图3为本发明中基于模板诱导的微球自主装过程示意图；

[0034] 图4为本发明中用于介质微球镶嵌薄膜封装过程示意图；

[0035] 图5为介质微球辅助检测薄膜横截面示意图；

[0036] 图6为本发明中用于待测物超分辨检测的示意图；

[0037] 图7为本发明中介质微球微形变的示意图；

[0038] 图8为本发明中介质微球清晰地超分辨成像效果图。

[0039] 附图中：1、基底，2、加热平台，3、烧杯，4、第一清洗溶液，5、去离子水，6、超声振荡器，7、超声振荡发生器，8、第二清洗溶液，9、柔性材料薄膜，10、光栅底部，11、光栅栅线，12、光栅透明部分，13、腔室，14、介质微球，15、待测物体，16、目镜，17、物镜，18、柔性腔室模板、19、介质微球辅助检测薄膜。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0041] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术
语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间
接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解
上述术语在本发明中的具体含义。

[0042] 参照图4和图5，一种介质微球辅助检测薄膜，包括若干紧密连接的腔室13，每个腔室13中设置有一个介质微球14，腔室13和介质微球14封装在壳体20中。其中，腔室13和壳体
20均采用PDMS制成，腔室13为边长为30μm的正六面体。

[0043] 一种介质微球辅助检测薄膜的制备方法，包括以下步骤：

[0044] 步骤1、对预生成薄膜的基底1处理，使基底1具有超亲水表面；

[0045] 步骤2、在基底1上制作柔性材料薄膜9，利用浇筑法和压印法在柔性材料薄膜9上制作出周期性的腔室13，得到柔性腔室模板18；

[0046] 步骤3、将介质微球14置于分散剂中，搅拌均匀，得到含有介质微球14的均匀分散液；

[0047] 步骤4、利用模板诱导自组装技术，在柔性腔室模板的腔室13中嵌入介质微球14，得到嵌有介质微球14的柔性薄膜；

[0048] 步骤5、对嵌有介质微球14的柔性薄膜进行封装，得到介质微球辅助检测薄膜，介质微球辅助检测薄膜19可实现超分辨监测的易操作性以及介质微球的大视场高频信息传
输。

[0049] 如图1所示，所述步骤1中，对基底1的处理过程如下：

[0050] 选用平整度与光滑度较好的长为20mm的正方形石英作为基底1。将其放置在有浓度为98％的浓硫酸和双氧水以质量比3:1配制成的第一清洗液4的烧杯3中，用加热平台2加
热至80℃并保持80℃的温度一小时，以去除基底1表面的杂质；取出基底1，用去离子水5反
复冲洗，并在去离子水5中超声振荡3～5分钟，以去除基底1表面的酸性清洗溶液4；将基底1
放置于第二清洗溶液8中，第二清洗溶液8由氨水、双氧水和去离子水以质量比1:1:5配制而
成，利用超声振荡器6和超声振荡发生器7超声振荡一小时，然后取出基底1，再用去离子水
反复冲洗2～3次，并在去离子水中超声振荡3～5分钟，使得基底1表面具有亲水性。

[0051] 所述步骤1对基底1的处理，可以使得柔性材料在固化成型前能够均匀地分散成微米级别的薄膜，这是介质微球超分辨必要的成像距离要求。

[0052] 如图2所示，所述步骤2中，浇筑与压印过程如下：

[0053] 柔性材料需为高折射率、高透明度、可固化成型的低表面能材料，在此选用二甲基硅氧烷，如图2所示。把道康宁184A溶液与道康宁184B溶液按照体积比为10:1的比例，混合
搅拌均匀，倾倒在步骤1处理好的基底1上，通过调节甩胶机转速控制PDMS薄膜的膜厚。接着
抽真空，消去搅拌与倾倒时PDMS中产生的微小空气泡，提高PDMS的均匀性和透光性，得到
PDMS薄膜。将光栅压在PDMS薄膜上，光栅包括光栅底部10、光栅栅线11和光栅透明部分12，
用光栅压在PDMS的薄膜时，光栅底部位于上方，光栅栅线11位于下方，即将光栅倒置，用不
透光部分11约为30μm的光栅压在PDMS薄膜上。再将PDMS薄膜和光栅一起放入80℃的烤箱中
固化两小时。然后从PDMS薄膜上剥离光栅，即可得到具有周期性的腔室13的柔性腔室模板
18，若干腔室13紧密连接在同一个平面，腔室13的横截面的边长为30μm的正方形。最后在周
期性的腔室13上喷上一层八氟环丁烷。腔室13可使得介质微球14能够分散进入腔室13中，
从而实现超分辨成像。在腔室13喷上C4F8是为了使得腔室13具有超疏水表面。

[0054] 所述步骤3中的介质微球必须均匀分散在溶液中；

[0055] 介质微球为高折射率、高透光性且廉价易得的固态硬质微球，微球直径一般不大于30μm，在此选用二氧化硅微球。介质微球的分散剂一般需要高纯度、少带电离子的溶剂，
在此选用去离子水。将直径不大于30μm的二氧化硅微球置于去离子水中，超声振荡，使得二
氧化硅微球均匀分散在去离子水中，得到含有介质微球的均匀分散液。

[0056] 如图3所示，所述步骤4中的模板诱导自组装，使得介质微球均匀分散在腔室13中；

[0057] 二氧化硅微球14与PDMS9间的粘合以及微元件的表面能差异，对于模板诱导自组装精度非常重要。绝大部分的结构基底都具有均匀的表面化学能，而且通常表面能差异的
控制也涉及复杂的表面处理工艺。

[0058] 用吸管吸取二氧化硅去离子水分散液，滴在PDMS腔室模板上。由于疏水的微结构表面与二氧化硅分散液较大的表面张力，二氧化硅分散液在PDMS腔室模板上处于疏水性状
态。通过抽真空的作用，分散液填充在PDMS腔室模板的腔室13中，使其在腔室13具有类似
“超亲水”的效果，从而得到一个新的具有“亲水-疏水”相间的柔性腔室模板。当分散液在
“亲水-疏水”相间的结构上流过时，基底模板将通过模板诱导自组装的作用，使得二氧化硅
微球14随着二氧化硅去离子水分散液灌进基底模板的周期性腔室13中。

[0059] 稍稍倾斜基底1，由于二氧化硅微球14直径较大加上本身密度较大，随着水分的蒸发并在微球自身重力作用下，PDMS腔室13内会出现紧密排列的二氧化硅微球14。

[0060] 所述步骤5中，需要对介质微球14封装，做到介质微球14固定在腔室13中并有固体浸没式的效果；嵌有介质微球的柔性薄膜厚度为30μm～40μm。

[0061] 参照图4，在嵌有介质微球14的柔性薄膜腔室外，再浇筑一层PDMS，然后抽真空，使得介质微球14包裹在PDMS里。通过调节甩胶机转速控制PDMS膜厚，再放入80℃的烤箱中固
化两小时。最后将固化后的PDMS从基底上剥离，形成带有均匀周期性排布的二氧化硅微球
的薄膜。

[0062] PDMS薄膜整体厚度不能太厚，使显微物镜和待测样品间留有足够的可调以便于能从基底1上完整剥离。

[0063] 基于介质微球辅助检测薄膜的超分辨显微检测方法包括以下步骤：

[0064] 步骤1、把介质微球辅助检测薄膜膜贴敷在待测物体表面，调节柔性薄膜和待测物体之间的距离，利用光学显微镜观测，可得到待测物体的超分辨成像；

[0065] 步骤2、左右移动薄膜，监测物体不同部位的超分辨成像信息；

[0066] 步骤3、拉伸薄膜，改变介质微球辅助检测薄膜中介质微球14形状，可实现被检测物体不同程度的超分辨成像；

[0067] 步骤4、重复步骤1～步骤3，直到通过介质微球辅助检测薄膜中的介质微球14观测到清晰的超分辨成像图形。

[0068] 如图6所示，所述步骤1中，柔性PDMS薄膜需要紧密贴敷在待测物体表面,并利用光学显微镜观测。图6中的箭头为光线。

[0069] 通过调整机械台上平面与机械台下平面的间距，将待测物蓝光光盘15压在柔性薄膜上，使样品与柔性薄膜接触，薄膜和待测物体之间的距离要满足倏逝波耦合传输的要求，
一般要小于10μm，并放置在真空环境中，使柔性薄膜充分紧密贴敷在待测物表面。

[0070] 左右调节物镜，使物镜垂直正对薄膜中的介质微球。这样垂直光进入微球可提高倏逝波耦合传播。介质微球把光波聚焦在更远的焦点f＝nr/2(n-ns)。其中n和ns分别为介质
微球、微球外的折射率，r为介质微球的半径。再上下调节物镜，使得显微镜中出现最为清晰
的最大图像。这时物镜与样品间的孔径角2α最大，物镜的数值孔径(NA＝n·sinα，其中n为
物镜与待测物体间的折射率)最大，显微镜中可分辨的两个物点最小间距达到最小值(σ＝
0.61λ/NA，λ为光源波长)，从而可以在理论上分辨出物体上<200nm的超精细结构。

[0071] 所述步骤2中，左右移动薄膜，可调节介质微球正下方位置，实现介质微球正下方待测物体不同精细结构的超分辨成像，从而可监测物体不同部位的超分辨成像信息；

[0072] 此步骤一般使用镊子或者微移动平台左右或者上下移动PDMS薄膜来实现。

[0073] 如图7所示，所述步骤3中，拉伸薄膜，改变介质微球形状，从而改变介质微球超分辨成像的效果，以适合薄膜和待测物体之间的距离，从而实现微球不同的超分辨效果。拉伸
薄膜后，介质微球14受到拉力，会产生变形。图中箭头方向为拉力方向。此步骤使用可双向
用力的微夹具平台左右拉伸内嵌有介质微球的PDMS薄膜来实现。

[0074] 重复步骤1-3，找到待测物清晰的超分辨成像，如图8所示。待测物体的测物蓝光光盘15上的栅距D小于200nm。

[0075] 本发明易于实现微球的均匀周期性排列，解决了介质微球均匀周期性排列的难题；通过调整介质微球的位置，实现对物体进行定域的超分辨检测；通过延展PDMS薄膜，改
变介质微球空间形态，实现对物体监测性能的微操控；本发明工艺简单，解决了介质微球必
须依靠液体浸润法改变球内和球边界处的超分辨率的问题。

[0076] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的实例而已，并不用于限制本发明。对于本发明而言，可选用的可控介质微球超分辨技术不仅限于诉述这种。尽管参照前述实例对本
发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技
术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，
所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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介质微球辅助检测薄膜及其制备方法和超分辨检测方法

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