[논문 리뷰] Study of waveguide background at visible wavelengths for on-chip nanoscopy

David A. Coucheron, Øystein Ivar Helle외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 25.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques참고 문헌 31인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 탄탈룸 산화물(Ta2O5)과 실리콘 nitride(Si3N4) 웨이브가이드 플랫폼이 가시광선 파장(488–640 nm)에서 온칩 초해상도 나노현미경에 적합한지 평가한다. 형광 비드 영상 촬영 및 스펙트럼 배경 측정을 통해 Si3N4는 짧은 파장(예: 488 nm)에서 강한 파장 의존성 배경 증가를 보이며 dSTORM에서 국소화 정밀도를 떨어뜨리는 반면, Ta2O5는 모든 파장에서 거의 감지되지 않을 정도로 낮은 배경을 유지하여 짧은 파장 응용 분야에서 열등하다고 판단된다.

ABSTRACT

On-chip super-resolution optical microscopy is an emerging field relying on waveguide excitation with visible light. Here, we investigate two commonly used high-refractive index waveguide platforms, tantalum pentoxide (Ta$_2$O$_5$) and silicon nitride (Si$_3$N$_4$), with respect to their background with excitation in the range 488-640 nm. The background strength from these waveguides were estimated by imaging fluorescent beads. The spectral dependence of the background from these waveguide platforms was also measured. For 640 nm wavelength excitation both the materials had a weak background, but the background increases progressively for shorter wavelengths for Si3N4. We further explored the effect of the waveguide background on localization precision of single molecule localization for direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). An increase in background for Si$_3$N$_4$ at 488 nm is shown to reduce the localization precision and thus the resolution of the reconstructed images. The localization precision at 640 nm was very similar for both the materials. Thus, for shorter wavelength applications Ta$_2$O$_5$ is preferable. Reducing the background from Si$_3$N$_4$ at shorter wavelengths via improved fabrication will be worth pursuing.

연구 동기 및 목표

• 온칩 초해상도 광학 현미경을 위한 고굴절률 플랫폼에서 웨이브가이드 배경을 평가하기 위해.
• 가시광선 파장(488–640 nm)에서 Si3N4와 Ta2O5의 물질 특성에 기인한 배경 제한 요소를 규명하기 위해.
• 웨이브가이드 배경이 직접 스위치 작동 광학 재구성 현미경(dSTORM)에서 국소화 정밀도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 나노현미경 및 스펙트럼 분석 응용 분야에서 Si3N4와 Ta2O5가 가시광선 파장에서 적합한지 판단하기 위해.

제안 방법

• 488–640 nm에서 표면 모드를 이용한 자극을 통해 Ta2O5 및 Si3N4 웨이브가이드 위의 형광 비드를 촬영하여 배경 강도를 정량화하기 위해.
• 스펙트럼 분석기로 가시광선 범위 전역에서 웨이브가이드 배경의 파장 의존성을 측정하기 위해.
• 두 플랫폼에서 단일 분자 형광 신호를 피팅하여 dSTORM에서의 국소화 정밀도를 분석하기 위해.
• 모의 및 실험 데이터를 사용하여 배경 패턴과 국소화 불확실성에 미치는 영향을 비교하기 위해.
• 이론적 국소화 정밀도 저하를 추정하기 위해 균일한 배경 모델(식 1)을 사용하기 위해.
• 실험적 재구성 및 시뮬레이션을 통해 비균일한 배경이 국소화 편향에 미치는 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si3N4와 Ta2O5의 웨이브가이드 배경은 가시광선 파장(488–640 nm) 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 488 nm에서 Si3N4의 배경은 640 nm에 비해 dSTORM의 국소화 정밀도를 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ3 Si3N4의 배경은 영상 응용 분야에서 효과적으로 제거될 수 있는가?
• RQ4 Si3N4의 비균일한 배경 패턴은 국소화 정밀도에 체계적인 편향을 유도하는가?
• RQ5 짧은 가시광선 파장에서 고정밀 dSTORM에 있어 Ta2O5는 Si3N4의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 640 nm 자극 조건에서 Ta2O5와 Si3N4 모두 약한 배경을 보이며, 국소화 정밀도에 유의미한 차이가 없었다.
• 488 nm 조건에서 Si3N4는 배경이 급격히 증가하여 dSTORM 영상에서 국소화 정밀도가 떨어졌다.
• Si3N4의 배경은 파장이 짧아질수록 점진적으로 증가하는 반면, Ta2O5는 모든 시험 파장에서 거의 감지되지 않을 정도로 낮은 배경을 유지했다.
• Si3N4의 비균일한 배경 패턴은 저강도 조건에서 최대 4.3 nm, 고강도 조건에서 3.1 nm의 국소화 편향을 유도했다.
• 모의 실험 결과, 488 nm에서 광자 수가 10배 증가하더라도 Si3N4의 배경 패턴은 국소화 정밀도에 크게 영향을 주지 않아, 문제의 원인이 광자 수 제한이 아니라 패턴 유도라는 점을 시사했다.
• Si3N4의 스펙트럼 배경은 광역으로 퍼져 있어 효율적인 필터링이 불가능하여, 재료 내부의 고유 결함 또는 조성의 비균일성에서 기인하는 것으로 나타났다.