Coupled Emission Microscopy for the Biosciences

用于生物科学的耦合发射显微镜

基本信息

  • 批准号:
    10093077
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 36.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-02-17 至 2023-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Abstract Fluorescence imaging is used widely in almost all the biosciences. Examples include imaging of microscope slides with spots of DNA or proteins, multiplexed assays of classes of molecules like cytokines or capture immunoassays. Fluorescence occurs in all directions and it is necessary to collect as much of the emission as possible and to focus the emission onto a detector. The instruments for these measurements all contain multiple lens, mirrors and filters for directing the emission towards the detector. The optical components and principles have not changed in over 100 years. A modern microscope has the same shape and configuration as those over 100 years old. In contrast there has been enormous progress in electronics where the cost per GB of memory has decreased 1 million-fold. We propose a widely applicable approach to fluorescence imaging that can provide high spatial resolution over large areas, easily up to the frame size of 35 mm film. This will be accomplished using Tamm structures which consist of multiple layers of dielectrics and a top metallic layer; which are called Tamm structures (TS). These structures contain no nanoscale features in the x-y plane and vapor deposition can produce large area structures at low cost. Tamm structures support optical modes which are perpendicular to the surface, and we have recently shown fluorophores close to the surface couple to these modes and also radiate perpendicular to the surface. In this project the Tamm structures will be placed directly onto CMOS imaging detectors (CID) for imaging. We refer to this method as coupled-emission microscopy (CEM). Practical CEM devices require improved z-axis confinement and reduced sample-to-detector distances. We propose development of CEM to obtain a spatial resolution of 1 μm or better. This will be accomplished by optical simulations and refined methods for preparation of Tamm structures and other multi- layer structures (MLS). Two independent methods will be used to test for improved z-axis confinement and improved coupling efficiency. Commercial CIDs contain protective cover slips which prevent close contact with the Tamm structures. Methods will be developed to place the TS directly onto the CID surface and for higher spatial resolution fabrication of the Tamm structure directly on the CID surface. Various methods of illumination and/or thin-film filters will be developed to reject incident light. Spatial resolution will be measured using fluorescent nanobeads (NBs) as point sources will also be used to determine the number of independent measurable locations. The effects of surface topology will be examined for effects on spatial resolution and sensitivity by increases in fluorophore-TS coupling efficiency. We will also examine alternative structures which are known to display perpendicular modes such as the three layer metal-dielectric-metal (MDM) structures and structures which do not contain any metal and display optical Tamm states (OTS). Replacement of even a small fraction of existing instruments with CEM devices would have a large impact on biology and medicine.
抽象的 荧光成像几乎在所有生物科学中广泛使用。示例包括成像 显微镜载玻片,带有DNA或蛋白质的斑点,细胞因子等分子类别的多重测定法或 捕获免疫测定。荧光在各个方向都发生,有必要收集尽可能多的 尽可能发射并将排放集中在检测器上。这些测量的仪器全部 包含多个镜头,镜子和过滤器,用于将排放介绍到检测器。光学组件 100多年来,原则没有改变。现代显微镜具有相同的形状和配置 作为100岁以上的人。相比之下 内存的GB已减少了100万倍。 我们提出了一种广泛适用的荧光成像方法,可以提供高空间分辨率 在大面积上,很容易达到35毫米胶片的框架尺寸。这将使用TAMM结构来完成 由多层饮食和顶部金属层组成;称为TAMM结构(TS)。 这些结构在X-Y平面中没有纳米级特征,蒸气沉积可以产生较大的面积 低成本的结构。 TAMM结构支持垂直于表面的光学模式,我们 最近已经显示了靠近表面夫妇的荧光团到这些模式,并且垂直于 表面。在该项目中,TAMM结构将直接放置在CMOS成像探测器(CID)上 成像。我们将此方法称为耦合发射显微镜(CEM)。实用的CEM设备需要 改善了Z轴约束并减少了样品到检测器的距离。 我们建议开发CEM以获得1μM或更高的空间分辨率。这将是 通过光学模拟和精制方法来制备TAMM结构和其他多种多样的方法 层结构(MLS)。两种独立方法将用于测试改进的Z轴限制和 提高耦合效率。商业CID包含受保护的盖板滑动,可防止与 塔姆结构。将开发方法将TS直接放置在CID表面上,并为更高 TAMM结构直接在CID表面上的空间分辨率制造。各种照明方法 和/或薄膜过滤器将开发以拒绝事件光。空间分辨率将使用 荧光纳米光(NB)作为点源也将用于确定独立的数量 可衡量的位置。将检查表面拓扑的影响是否对空间分辨率和 通过提高荧光团TS耦合效率的敏感性。我们还将研究替代结构 已知会显示垂直模式,例如三层金属 - 丝线 - 金属(MDM)结构和 不包含任何金属并显示光学TAMM状态(OT)的结构。甚至更换 使用CEM设备的现有仪器的一部分将对生物学和医学产生重大影响。

项目成果

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