Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2019, выпуск 5 » Статья стр. 642
<<<>>>
Терагерцовый микроскоп на основе эффекта твердотельной иммерсии для визуализации биологических тканей*
DOI: 10.21883/OS.2019.05.47665.14-19
Переводная версия: 10.1134/S0030400X19050059
Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ), мк, 18-29-02060
Российский научный фонд (РНФ), 18-12-00328
Черномырдин Н.В1,2, Кучерявенко А.С 1,2, Римская Е.Н 2, Долганова И.Н 2,3, Желнов В.А2, Каралкин П.А 4,5, Грядунова А.А 4,6, Решетов И.В 6, Лаврухин Д.В 7, Пономарев Д.С7, Карасик В.Е 2, Зайцев К.И1,2
1Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
2Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
3Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Россия
4Лаборатория биотехнологических исследований, 3D Bioprinting Solutions, Москва, Россия
5Национальный медицинский исследовательский центр радиологии Минздрава России, Москва, Россия
6Институт регенеративной медицины, Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва, Россия
7Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН, Москва, Россия
Email: chernik-a@yandex.ru, ans.kucher@mail.ru, romehelen@gmail.com, in.dolganova@gmail.com, vleder.zel@mail.ru, pkaralkin@gmail.com, zharnitskaya_anna@mail.ru, reshetoviv@mail.ru, denis_lavruhin@mail.ru, ponomarev_dmitr@mail.ru, karassik@bmstu.ru, kirzay@gmail.com
Выставление онлайн: 19 апреля 2019 г.
PDF версия
Предложен новый метод терагерцовой (ТГц) микроскопии для визуализации биологических тканей с субволновым пространственным разрешением. Он позволяет преодолеть дифракционный предел Аббе, обеспечивая субволновое разрешение за счет эффекта твердотельной иммерсии - сужения каустики электромагнитного пучка при его фокусировке в свободном пространстве на небольшом расстоянии (меньше длины волны) позади среды с высоким показателем преломления. Разработана экспериментальная установка, реализующая предложенный метод и использующая лампу обратной волны и ячейку Голея в качестве источника и детектора ТГц излучения. В данной установке для реализации эффекта твердотельной иммерсии излучение фокусируется позади кремниевой полусферы. Экспериментально продемонстрировано рекордно высокое пространственное разрешение для оптических систем на основе эффекта твердотельной иммерсии - 0.15λ (измерения проводились на длине волны λ=500 μm для границы перехода металл-воздух в качестве тестового объекта). Микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии не предполагает применение диафрагм или других видов ближнепольных зондов для достижения субволнового разрешения и соответственно исключает связанные с отмеченными элементами энергетические потери. Метод был применен для визуализации мягких тканей, что позволило продемонстрировать его перспективность для биологии и медицины. -19
  1. Hu B.B., Nuss M.C. // Opt. Lett. 1995. V. 20. N 16. P. 1716--1718. doi 10.1364/OL.20.001716
  2. Yang X., Zhao X., Yang K., Liu Y., Liu Y., Fu W., Luo Y. // Trends Biotechnol. 2016. V. 34. N 10. P. 810--824. doi 10.1016/j.tibtech.2016.04.008
  3. Smolyanskaya O.A., Chernomyrdin N.V., Konovko A.A., Zaytsev K.I., Ozheredov I.A., Cherkasova O.P., Nazarov M.M., Guillet J.-P., Kozlov S.A., Kistenev Y.V., Coutaz J.-L., Mounaix P., Vaks V.L., Son J.-H., Cheon H., Wallace V.P., Feldman Y., Popov I. et al. // Prog. Quantum Electron. 2018. V. 62. P. 1--77. doi 10.1016/j.pquantelec.2018.10.001
  4. Woodward R.M., Wallace V.P., Pye R.J., Cole B.E., Arnone D.D., Linfield E.H., Pepper M. // J. Invest. Dermatol. 2003. V. 120. N 1. P. 72--78. doi 10.1046/j.1523-1747.2003.12013.x
  5. Joseph C.S., Patel R., Neel V.A., Giles R.H., Yaroslavsky A.N. // J. Biophotonics. 2014. V. 7. N 5. P. 295--303. doi 10.1002/jbio.201200111
  6. Зайцев К.И., Черномырдин Н.В., Кудрин К.Г., Решетов И.В., Юрченко С.О. // Опт. и Спектр. 2015. Т. 119. N 3. С. 404--410; Zaitsev K.I., Chernomyrdin N.V., Kudrin K.G., Reshetov I.V., Yurchenko S.O. // Opt. Spectrosc. 2015. V. 119. N 3. P. 404--410. doi 10.1134/S0030400X1509026X
  7. Novotny L., Hecht B. Principles of Nano-Optics. Cambridge: Cambridge University Press, 2012. doi 10.1017/CBO9780511794193
  8. Zhang Y., Zhou W., Wang X., Cui Y., Sun W. // Strain. 2008. V. 44. N 5. P. 380--385. doi 10.1111/j.1475-1305.2008.00433.x
  9. Krozer V., Loffler T., Dall J., Kusk A., Eichhorn F., Olsson R.K., Buron J.D., Jepsen P.U., Zhurbenko V., Jensen T. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2010. V. 58. N 7. Pt 2. P. 2027--2039. doi 10.1109/TMTT.2010.2050246
  10. Chen H.-T., Kersting R., Cho G.C. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. N 15. P. 3009--3011. doi 10.1063/1.1616668
  11. Huber A.J., Keilmann F., Wittborn J., Aizpurua J., Hillenbrand R. // Nano Lett. 2008. V. 8. N 11. P. 3766--3770. doi 10.1021/nl802086x
  12. Liewald C., Mastel S., Hesler J., Huber A.J., Hillenbrand R., Keilmann F. // Optica. 2018. V. 5. N 2. P. 159. doi 10.1364/OPTICA.5.000159
  13. Lukyanchuk B.S., Paniagua-Dominguez R., Minin I.V, Minin O.V, Wang Z. // Opt. Mater. Express. 2017. V. 7. N 6. P. 1820--1847. doi 10.1364/OME.7.001820
  14. Yue L., Minin O.V., Wang Z., Monks J.N., Shalin A.S., Minin I.V. // Opt. Lett. 2018. V. 43. N 4. P. 771. doi 10.1364/OL.43.000771
  15. Minin I.V., Minin O.V., Ponomarev D.S., Glinskiy I.A. // Ann. Phys. 2018. V. 530. N 12. P. 1800359. doi 10.1002/andp.201800359
  16. Minin I.V., Minin O.V., Katyba G.M., Chernomyrdin N.V., Kurlov V.N., Zaytsev K.I., Yue L., Wang Z., Christodoulides D.N. // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114. N 3. P. 031105. doi 10.1063/1.5065899
  17. Yue L., Yan B., Monks J.N., Dhama R., Wang Z., Minin O.V., Minin I.V. // Ann. Phys. 2018. V. 530. N 2. P. 1700384. doi 10.1002/andp.201700384
  18. Yue L., Yan B., Monks J.N., Wang Z., Tung N.T., Lam V.D., Minin O., Minin I. // J. Phys. D. 2017. V. 50. N 17. P. 175102. doi 10.1088/1361-6463/aa61cb
  19. Nguyen Pham H.H., Hisatake S., Minin I.V., Minin O.V., Nagatsuma T. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. N 19. P. 191102. doi 10.1063/1.4949014
  20. Nguyen Pham H.H., Hisatake S., Minin O.V., Nagatsuma T., Minin I.V. // APL Photonics. 2017. V. 2. N 5. P. 056106. doi 10.1063/1.4983114
  21. Minin I.V., Minin O.V. // Opt. Quantum Electron. 2017. V. 49. N 10. P. 326. doi 10.1007/s11082-017-1165-6
  22. Yue L., Yan B., Monks J.N., Dhama R., Wang Z., Minin O.V., Minin I.V. // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2018. V. 39. N 6. P. 546--552. doi 10.1007/s10762-018-0479-1
  23. Mansfield S.M., Kino G.S. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57. N 24. P. 2615--2616. doi 10.1063/1.103828
  24. Terris B.D., Mamin H.J., Rugar D., Studenmund W.R., Kino G.S. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. N 4. P. 388--390. doi 10.1063/1.112341
  25. Lerman G.M., Israel A., Lewis A. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. N 22. P. 1--4. doi 10.1063/1.2398888
  26. Ippolito S.B., Thorne S.A., Eraslan M.G., Goldberg B.B., Unlu M.S., Leblebici Y. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. N 22. P. 4529--4531. doi 10.1063/1.1758308
  27. Koklu F.H., Quesnel J.I., Vamivakas A.N., Ippolito S.B., Goldberg B.B., Unlu M.S. // Opt. Express. 2008. V. 16. N 13. P. 9501. doi 10.1364/OE.16.009501
  28. Pimenov A., Loidl A. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. N 20. P. 4122--4124. doi 10.1063/1.1627474
  29. Gompf B., Gerull M., Muller T., Dressel M. // Infrared Phys. Technol. 2006. V. 49. N 1--2. P. 128--132. doi 10.1016/j.infrared.2006.01.021
  30. Chernomyrdin N.V., Schadko A.O., Lebedev S.P., Tolstoguzov V.L., Kurlov V.N., Reshetov I.V., Spektor I.E., Skorobogatiy M., Yurchenko S.O., Zaytsev K.I. // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. N 22. P. 221109. doi 10.1063/1.4984952
  31. Chernomyrdin N.V., Kucheryavenko A., Malakhov K., Schadko A., Komandin G., Lebedev S., Dolganova I., Kurlov V., Lavrukhin D., Ponomarev D., Yurchenko S., Tuchin V.V., Zaytsev K. // Proc. SPIE. 2018. V. 10716. P. 1071606. doi 10.1117/12.2314464
  32. Chernomyrdin N.V., Kucheryavenko A.S., Zaytsev K.I., Kolontaeva G.S., Katyba G.M., Karalkin P.A., Smolyanskaya O.A., Karasik V.E., Minin O.V., Parfenov V.A., Gryadunova A.A., Norkin N.E., Minin I.V. // Proceedings of SPIE / ed. Fournier C., Georges M.P., Popescu G. // Proc. SPIE. 2018. V. 10677. P. 106771Y. doi 10.1117/12.2306132
  33. Chernomyrdin N.V., Kucheryavenko A.S., Kolontaeva G.S., Katyba G.M., Dolganova I.N., Karalkin P.A., Ponomarev D.S., Kurlov V.N., Reshetov I.V., Skorobogatiy M., Tuchin V.V., Zaytsev K.I. // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 113. N 11. P. 111102. doi 10.1063/1.5045480
  34. Guerboukha H., Nallappan K., Skorobogatiy M. // Adv. Opt. Photonics. 2018. V. 10. N 4. P. 843. doi 10.1364/AOP.10.000843
  35. Wang J., Stantchev R.I., Sun Q., Chiu T.-W., Ahuja A.T., MacPherson E.P. // Biomed. Opt. Express. 2018. V. 9. N 12. P. 6467. doi 10.1364/BOE.9.006467
  36. Ashworth P.C., Pickwell-MacPherson E., Provenzano E., Pinder S.E., Purushotham A.D., Pepper M., Wallace V.P. // Opt. Express. 2009. V. 17. N 15. P. 12444. doi 10.1364/OE.17.012444
  37. Milster T.D., Jo J.S., Hirota K. // Appl. Opt. 1999. V. 38. N 23. P. 5046. doi 10.1364/AO.38.005046
  38. Karrai K., Lorenz X., Novotny L. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. N 21. P. 3459--3461. doi 10.1063/1.1326839
  39. Komandin G.A., Chuchupal S.V., Lebedev S.P., Goncharov Y.G., Korolev A.F., Porodinkov O.E., Spektor I.E., Volkov A.A. // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2013. V. 3. N 4. P. 440--444. doi 10.1109/TTHZ.2013.2255914
  40. Zahl H.A., Golay M.J.E. // Rev. Sci. Instrum. 1946. V. 17. N 11. P. 511--515. doi 10.1063/1.1770416
  41. Nyquist H. // Trans. Am. Inst. Electr. Eng. 1928. V. 47. N 2. P. 617--644. doi 10.1109/T-AIEE.1928.5055024
  42. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis. Third Edition. Bellingham, Washington, USA: SPIE Press, 2007. 882 p. doi 10.1117/3.1003040
  43. Sesek A., Zemva A., Trontelj J. // Recent Pat. Nanotechnol. 2018. V. 12. N 1. P. 34--44. doi 10.2174/1872210511666170704103627
  44. Chen F.Y., Fang Y.K., Hsu C.-Y., Chen J.-R. // Ferroelectrics. 1997. V. 200. N 1. P. 257--268. doi 10.1080/00150199708008610
  45. Fletcher D.A., Crozier K.B., Quate C.F., Kino G.S., Goodson K.E., Simanovskii D., Palanker D.V. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. N 23. P. 3589--3591. doi 10.1063/1.1377318
  46. Fletcher D.A., Crozier K.B., Quate C.F., Kino G.S., Goodson K.E., Simanovskii D., Palanker D.V. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. N 14. P. 2109--2111. doi 10.1063/1.1313368
  47. Mazhorova A., Markov A., Ng A., Chinnappan R., Skorobogata O., Zourob M., Skorobogatiy M. // Opt. Express. 2012. V. 20. N 5. P. 5344--5355
  48. Fan W., Yan B., Wang Z., Wu L. // Sci. Adv. 2016. V. 2. N 8. P. 40--42. doi 10.1126/sciadv.1600901
  49. Katyba G.M., Zaytsev K.I., Chernomyrdin N.V, Shikunova I.A., Komandin G.A., Anzin V.B., Lebedev S.P., Spektor I.E., Karasik V.E., Yurchenko S.O., Reshetov I.V, Kurlov V.N., Skorobogatiy M. // Adv. Opt. Mater. 2018. V. 6. P. 1800573. doi 10.1002/adom.201800573
  50. Fan S., Ung B., Parrott E.P.J., Pickwell-MacPherson E. // Phys. Med. Biol. 2015. V. 60. N 7. P. 2703--2713. doi 10.1088/0031-9155/60/7/2703
  51. Zaytsev K.I., Chernomyrdin N.V. Gavdush A.A., Beshplav S.-I.T., Malakhov K.M., Kucheryavenko A.S., Katyba G.M., Dolganova I.N., Goryaynov S.A., Karassik V.E., Spector I.E., Kurlov V.N., Yurchenko S.O., Komandin G.A., Potapov A.A., Tuchin V.V. // Proc. SPIE. 2018. V. 10716. P. 107160S. doi 10.1117/12.2316302
  52. Pickwell E., Cole B.E., Fitzgerald A.J., Wallace V.P., Pepper M. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. N 12. P. 2190--2192. doi 10.1063/1.1688448
  53. Tuchin V.V., Maksimova I.L., Zimnyakov D.A., Kon I.L., Mavlutov A.H., Mishin A.A. // J. Biomed. Opt. 1997. V. 2. N 4. P. 401. doi 10.1117/12.281502
  54. Ishimaru A. Electromagnetic Wave Propagation, Radiation, and Scattering: From Fundamentals to Applications. 2nd ed. Hoboken, New Jersey, USA: Wiley-IEEE Press, 2017. 968 p.

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.

Учредители

Издатель

© 2024 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme