[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究评估了在可见光波长范围（488–640 nm）下，用于片上超分辨率纳米显微术的五氧化二钽（Ta2O5）和氮化硅（Si3N4）波导平台。通过荧光微球成像和光谱背景测量发现，Si3N4在较短波长下（如488 nm）表现出强烈的波长依赖性背景增加，导致dSTORM中定位精度下降；而Ta2O5在所有波长下均保持近乎不可检测的背景，因此在短波长应用中表现更优。

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.

研究动机与目标

• 评估高折射率平台中波导背景在片上超分辨率光学显微术中的表现。
• 识别Si3N4和Ta2O5在可见光波长范围（488–640 nm）下的材料特异性背景限制。
• 评估波导背景对直接随机光学重建显微术（dSTORM）中定位精度的影响。
• 确定Si3N4和Ta2O5在纳米显微术与光谱学中可见光波长应用的适用性。

提出的方法

• 使用488–640 nm的倏逝场激发，在Ta2O5和Si3N4波导上成像荧光微球，以量化背景强度。
• 利用光谱仪测量波导背景在可见光范围内的光谱依赖性。
• 通过拟合两种平台上的单分子荧光信号，分析dSTORM中的定位精度。
• 结合模拟与实验数据，比较背景图案及其对定位不确定性的影响。
• 使用均匀背景模型（公式1）估算由背景引起的理论定位精度退化。
• 通过实验重建与模拟，评估非均匀背景对定位偏差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Si3N4和Ta2O5的波导背景在可见光波长范围（488–640 nm）内如何变化？
• RQ2 与640 nm相比，Si3N4在488 nm时的背景在多大程度上降低了dSTORM中的定位精度？
• RQ3 Si3N4的背景在成像应用中能否被有效滤除？
• RQ4 Si3N4中非均匀的背景图案是否会在定位精度中引入系统性偏差？
• RQ5 Ta2O5是否是短波长可见光范围内高精度dSTORM的可行替代方案？

主要发现

• 在640 nm激发下，Ta2O5和Si3N4均表现出微弱背景，定位精度无显著差异。
• 在488 nm时，Si3N4的背景显著增加，导致dSTORM成像中定位精度下降。
• Si3N4的背景随波长变短而持续增加，而Ta2O5在所有测试波长下均保持近乎不可检测的背景。
• Si3N4中的非均匀背景在低强度情况下引入高达4.3 nm的定位偏差，在高强度情况下为3.1 nm。
• 模拟结果表明，即使在488 nm时光子数增加十倍，Si3N4的背景图案对定位精度的影响仍不显著，表明问题并非光子限制，而是图案诱导所致。
• Si3N4的光谱背景为宽带特性，无法有效滤除，表明其源于材料内部的缺陷或成分不均匀性。