[論文レビュー] Study of waveguide background at visible wavelengths for on-chip nanoscopy

David A. Coucheron, Øystein Ivar Helle+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 31被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、可視光帯（488–640 nm）におけるチップ内スーパーレゾリューションナノスコピーモードを、タナール酸化物（Ta2O5）および窒化ケイ素（Si3N4）波guides プラットフォームで評価する。蛍光ビーズのイメージングとスペクトル的バックグラウンド測定を通じて、Si3N4は短波長（例：488 nm）で波長依存性の強いバックグラウンド増加を示し、dSTORMにおける局在精度を低下させることを特定した。一方、Ta2O5は全波長範囲でほぼ検出不能なバックグラウンドを維持しており、短波長用途において優れた性能を示す。

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.

研究の動機と目的

• チップ内スーパーレゾリューション光学顕微鏡用に、高屈折率プラットフォームにおける波guides バックグラウンドを評価すること。
• 可視光帯（488–640 nm）における Si3N4 および Ta2O5 の材料固有のバックグラウンド制限を特定すること。
• 波guides バックグラウンドが直接的ストキャスティック光学再構成顕微鏡（dSTORM）における局在精度に与える影響を評価すること。
• ナノスコピーや分光法における可視光帯応用に、Si3N4 および Ta2O5 が適しているかどうかを検証すること。

提案手法

• 488–640 nm のエバネッセント場励起を用いて、Ta2O5 および Si3N4 波guides 上の蛍光ビーズをイメージングし、バックグラウンド強度を定量する。
• 分光計を用いて、可視光帯全域における波guides バックグラウンドの波長依存性を測定する。
• 両プラットフォーム上での単分子蛍光信号のフィッティングを通じて、dSTORM における局在精度を分析する。
• シミュレート済みおよび実験データを用いて、バックグラウンドパターンと局在不確実性への影響を比較分析する。
• 均一バックグラウンドモデル（式1）を用いて、バックグラウンドによる理論的局在精度低下を推定する。
• 実験的再構成とシミュレーションを通じて、不均一バックグラウンドが局在バイアスに与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si3N4 および Ta2O5 の波guides バックグラウンドは、可視光帯（488–640 nm）でどのように変化するか？
• RQ2 488 nm における Si3N4 のバックグラウンドは、640 nm と比較して dSTORM における局在精度にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ3 Si3N4 由来のバックグラウンドは、イメージング応用で効果的にフィルタリング可能か？
• RQ4 Si3N4 に見られる不均一バックグラウンドパターンは、局在精度に系統的バイアスを引き起こすか？
• RQ5 短波長可視光帯における高精度 dSTORM 用途において、Ta2O5 は Si3N4 の代替として実用的か？

主な発見

• 640 nm での励起条件下では、Ta2O5 および Si3N4 ともに弱いバックグラウンドを示し、局在精度に顕著な差は認められなかった。
• 488 nm では、Si3N4 が顕著なバックグラウンド増加を示し、dSTORM イメージングにおける局在精度が低下した。
• Si3N4 のバックグラウンドは波長が短くなるにつれて進行的に増加するが、Ta2O5 は全試験波長範囲でほぼ検出不能なバックグラウンドを維持した。
• Si3N4 の不均一バックグラウンドは、低強度条件下で最大4.3 nm、高強度条件下で3.1 nm の局在バイアスを引き起こした。
• シミュレーションの結果、488 nm で光子数を10倍に増やしても、Si3N4 のバックグラウンドパターンは局在精度に顕著な影響を及えないことが示され、問題は光子制限ではなくパターン誘導であると示唆された。
• Si3N4 のスペクトル的バックグラウンドは広帯域的であり、効率的なフィルタリングが不可能であるため、材料内の本質的欠陥または成分の不均一性に起因すると考えられる。