上圖顯示（shì）了一個間距為5000 nm±1nm的孔徑陣列。孔使光（guāng）穿過載玻片上的（de）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（jiān）距可以校正這些成（chéng）像誤差。這個校準（zhǔn）過程可以準確測量大圖（tú）像上的位（wèi）置。Credit: NIST

在過去的二十年（nián）裏，科學家們已經發現光學顯微鏡可以用來探測、跟蹤和成（chéng）像比傳統極限小得多的（de）物體——大約是可見光（guāng）波長的一（yī）半，或（huò）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（yán）究人員能夠追蹤受精（jīng）卵中的蛋白質，觀察分子如何（hé）形成大腦神經細胞（bāo）之間的電（diàn）連接，並研究微型發動機的納米（mǐ）級（jí）運（yùn）動。

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

“我（wǒ）們把光學顯微鏡再放到一個（gè）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。

由於光學顯微鏡傳（chuán）統上沒有被用於納米範（fàn）疇的研究，因此，它們通常也不進行納米級準確度（dù）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（rán）而，與此同時，它（tā）也可能（néng）是極其不準確的——由於無法解釋（shì）的誤差，本應能識別十億分之一米範圍內的（de）顯微鏡對物體（tǐ）位置的（de）識別實際上可能是（shì）百萬分之一米。NIST這項研究的合著者Jon Geist說：“隻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（xiào）準方法，可以仔（zǎi）細檢查和糾正這些成像錯（cuò）誤。這一方法使（shǐ）用的（de）參考物質（具有眾所周知的穩定（dìng）特性的物體）具有大規模生產的潛力，並可（kě）廣泛（fàn）分布到各（gè）個實驗室。

這（zhè）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（pǐn）到電子和機械設備。此外，隨著光學顯微鏡在智（zhì）能手機中加入了科學版的照明（míng）光和攝像頭後，它們的功能變（biàn）得越來越強大，也越來越經濟。

NIST團隊依靠納米級製（zhì）造工藝來開發這種參考物（wù）質。研究人員使用電（diàn）子束（shù）和離子銑（xǐ）削技（jì）術，在玻璃載玻片上穿（chuān）過（guò）鉑薄膜形成針孔小（xiǎo）孔陣列。這一過程使研究小組能夠將孔徑間隔（gé）控製在5000納米，準確度為1納米左右。通過這種方式（shì），研究人員在光圈位置上建立（lì）了一個準確度測量係統。

穿過孔徑（jìng）陣列發出的光產生了一係列成像點。但是由於所有顯微鏡鏡頭都有瑕疵，因此在成像過程（chéng）中不可避免地會造成誤差，這些誤差（chà）會改變點的視（shì）在位（wèi）置，從（cóng）而使（shǐ）光圈之間的間距看起來大於（yú）或小（xiǎo）於團隊設計的實際間距（jù）。知道真實（shí）的間距可以校正成像誤差，並可以校準顯微鏡，從而可以在（zài）一個寬泛的視（shì）野（yě）中高準度地測量位置。

即使是一個小錯誤也會導致大問題（tí）。以顯微鏡為例，當製造（zào）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（wéi）103倍，在顯微鏡下成像時，就會產生3%的誤差。由於透鏡的缺陷，一個更微妙的問題也出（chū）現（xiàn）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（shì）野範圍內工作的孔徑陣列和校準過程。

這種孔徑陣（zhèn）列（liè）可使單個研究（jiū）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（zǐ）和納米顆粒位置的能力提（tí）高1萬倍。

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

“我們確定並解決了一個未被充分認識（shí）的問題，”Copeland說道（dào）。

在用這種陣列校準了光學顯微鏡（jìng）後，研究（jiū）小組又反過來使（shǐ）用他們的光學顯微鏡來識別納米製造過程（chéng）中的原（yuán）型陣列缺陷。“為了控製孔徑（jìng）間距，我們測試了納米製造的極（jí）限，”NIST納米製造（zào）的管理人及合著者Rob Ilic說。光學顯微（wēi）鏡的簡便性和快速性（xìng）可在生產過程中對孔（kǒng）徑陣列的（de）質量進行控製。

最後，研究（jiū）小（xiǎo）組利用孔徑陣列的固有穩定性來評（píng）估熒光納米顆粒（通常在光學顯微鏡中（zhōng）用作固定參考點）到底是固定在一個特定（dìng）的點上，還是在四處移動。研究人員發現，雖（suī）然光學顯微鏡無意的運動使納米顆粒的（de）圖像變得模糊，但孔徑陣列顯示納米顆粒實際上並沒有出現原子級移動。