上圖顯示了一個間距為5000 nm±1nm的孔徑陣列。孔使光穿過載玻片上的金屬膜。利用光學顯微鏡對孔徑陣列成像會導致孔徑間距出現明顯誤差。了解真實間距可以校正這些成像誤差。這個校準過程可以準確測量大圖像上的位置。Credit: NIST

在過去的二十年里，科學家們已經發現光學顯微鏡可以用來探測、跟蹤和成像比傳統極限小得多的物體——大約是可見光波長的一半，或者幾百納米。

這項具有開創性的研究獲得了2014年諾貝爾化學獎，它使研究人員能夠追蹤受精卵中的蛋白質，觀察分子如何形成大腦神經細胞之間的電連接，并研究微型發動機的納米級運動。

現在，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究進展使顯微鏡能夠以更高的準確度測量這些納米級的細節。

“我們把光學顯微鏡再放到一個顯微鏡下，以達到接近原子級的準確度，”NIST的項目負責人Samuel Stavis說。

由于光學顯微鏡傳統上沒有被用于納米范疇的研究，因此，它們通常也不進行納米級準確度所必需的校準，即與標準進行比較以檢驗結果是否準確。顯微鏡可能是精確的，可以始終如一地指示出單個分子或納米顆粒的相同位置。然而，與此同時，它也可能是極其不準確的——由于無法解釋的誤差，本應能識別十億分之一米范圍內的顯微鏡對物體位置的識別實際上可能是百萬分之一米。NIST這項研究的合著者Jon Geist說：“只有精度而沒有準度是非常誤導人的。”

為了解決這個問題，NIST開發了一種新的校準方法，可以仔細檢查和糾正這些成像錯誤。這一方法使用的參考物質（具有眾所周知的穩定特性的物體）具有大規模生產的潛力，并可廣泛分布到各個實驗室。

這一點很重要，因為光學顯微鏡是常見的實驗室儀器，可以很容易地放大各類不同的樣品，從精細的生物樣品到電子和機械設備。此外，隨著光學顯微鏡在智能手機中加入了科學版的照明光和攝像頭后，它們的功能變得越來越強大，也越來越經濟。

NIST團隊依靠納米級制造工藝來開發這種參考物質。研究人員使用電子束和離子銑削技術，在玻璃載玻片上穿過鉑薄膜形成針孔小孔陣列。這一過程使研究小組能夠將孔徑間隔控制在5000納米，準確度為1納米左右。通過這種方式，研究人員在光圈位置上建立了一個準確度測量系統。

穿過孔徑陣列發出的光產生了一系列成像點。但是由于所有顯微鏡鏡頭都有瑕疵，因此在成像過程中不可避免地會造成誤差，這些誤差會改變點的視在位置，從而使光圈之間的間距看起來大于或小于團隊設計的實際間距。知道真實的間距可以校正成像誤差，并可以校準顯微鏡，從而可以在一個寬泛的視野中高準度地測量位置。

即使是一個小錯誤也會導致大問題。以顯微鏡為例，當制造商指定的預期放大倍數為100倍時，顯微鏡的實際放大倍數為103倍，在顯微鏡下成像時，就會產生3%的誤差。由于透鏡的缺陷，一個更微妙的問題也出現了——顯微鏡的放大率改變了圖像，導致圖像失真。為了解決這個問題，NIST團隊設計了可在大視野范圍內工作的孔徑陣列和校準過程。

這種孔徑陣列可使單個研究人員能夠在自己的實驗室中進行校準，它將使光學顯微鏡準確定位單個分子和納米顆粒位置的能力提高1萬倍。

Stavis和他的同事們，包括來自NIST和馬里蘭大學的馬里蘭納米中心的第一作者Craig Copeland，已將其研究成果發表于期刊Light: Science & Applications（《光：科學與應用》）。

“我們確定并解決了一個未被充分認識的問題，”Copeland說道。

在用這種陣列校準了光學顯微鏡后，研究小組又反過來使用他們的光學顯微鏡來識別納米制造過程中的原型陣列缺陷。“為了控制孔徑間距，我們測試了納米制造的極限，”NIST納米制造的管理人及合著者Rob Ilic說。光學顯微鏡的簡便性和快速性可在生產過程中對孔徑陣列的質量進行控制。

最后，研究小組利用孔徑陣列的固有穩定性來評估熒光納米顆粒（通常在光學顯微鏡中用作固定參考點）到底是固定在一個特定的點上，還是在四處移動。研究人員發現，雖然光學顯微鏡無意的運動使納米顆粒的圖像變得模糊，但孔徑陣列顯示納米顆粒實際上并沒有出現原子級移動。