Дифракционный фокусирующий мультипликатор для параллельного секвенатора Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.42

ДИФРАКЦИОННЫЙ ФОКУСИРУЮЩИЙ МУЛЬТИПЛИКАТОР ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СЕКВЕНАТОРА

Виктор Павлович Бессмельцев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-24-91, е-mail: bessmelt@iae.nsk.su

Петр Сергеевич Завьялов

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)306-62-24, е-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: victork@iae.nsk.ru

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-79-31, e-mail: NasyrovRK@iae.sbras.ru

Вадим Станиславович Терентьев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-20-03, e-mail: terentyev@iae.nsk.su

В статье рассмотрена задача создания и применения дифракционного элемента формирующего из лазерного луча с малой расходимостью матрицу сходящихся лучей 32 х 32 с дифракционным размером сфокусированных пятен в плоскости освещения объекта.

Ключевые слова: дифракционный оптический элемент, дифракционный мультипликатор световых пучков, параллельный секвенатор, прямая лазерная запись на фоторезисте.

DIFFRACTIVE FOCUSING MULTIPLICATOR FOR PARALLEL SEQUENCING

Victor P. Bessmeltsev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., laboratory head, tel. (383)333-24-91, е-mail: bessmelt@iae.nsk.su

Petr S. Zavyalov

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., laboratory head, tel. (383)306-62-24, е-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., leading researcher, tel. (383)333-30-91, e-mail: victork@iae.nsk.su

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, senior scientist, tel. (383)330-79-31, e-mail: NasyrovRK@iae.sbras.ru

Vadim S. Terentyev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Koptyug Prospect, senior scientist, tel. (383)333-20-03, e-mail: terentyev@iae.nsk.su

The paper is devoted to design, fabrication and experimental analysis of diffrative element for transformation of laser beam to array of beams 32 x 32 with diffraction-limited spot sizes at object illumination plane.

Key words: diffractive optical elements, diffractive fan-out element, parallel sequencing, direct laser writing.

Основой разрабатываемой коллективом институтов СО РАН технологии секвенирования ДНК является принцип параллельного секвенирования по технологии одномолекулярных реакций в нанореак-торах. Нанореакторы диаметром 80-100 нм сформированы в слое алюминия толщиной 70-100 нм нанесенном на кварцевую подложку. Нанореакто-ры сгруппированы на подложке в виде матрицы с постоянным шагом между ними (рис. 1). Такая структура эффективна для параллельного освещения и считывания данных реакций с образованием флюоресцирующих оснований с помощью матричных фотоприемников.

Для оптимального освещения матрицы нано-реакторов разработана осветительная схема (рис. 2), формирующая матрицу лазерных лучей, точно совпадающих по геометрическом характеристикам (расстоянию между нанореакторами в фокусе осветительной схемы). Особенностью примененного решения является использование разработанного нами дифракционного элемента совмещающего функции мультипликатора, формирующего матрицу из 33 x 33 пучков и фокусирующего элемента.

Дифракционный оптический элемент - фокусирующий мультипликатор. Расчет ДОЭ производился в скалярном приближении теории дифракции Кирхгофа-Френеля. Если принять, что световое поле, формируемое дифракционным оптическим элементом, представляет собой набор ярких точек, описываемых 5-функциями, то комплексную функцию пропускания ДОЭ можно представить как суперпозицию N х N сферических волновых фронтов:

Рис. 1. Микрофотография рабочей зоны чипа размером 125 мкм при освещении на просвет (шаг нанореакторов 5 мкм размер 70-110 нм, подложка - кварц)

м2

т(X, у) = Е ^I. ■ х, у, х{, у.), (1)

г = 1

где Т(х,у) - функция пропускания ДОЭ, I - относительная интенсивность /-го светового пучка, F - фокусное расстояние ДОЭ, И(х, у, х¡, у) - импульсный отклик свободного пространства (сферическая волна):

К X y, X, уI) = У -1'г (X у, X, у г)] 1 • ехР [ ] •к •г (X у, X, у г)], (2)

где расстояние

г(х,ух,уг) = ^(х - х.)2 + (у - у )2 + ¥2 . (3)

Р

Рис. 2. Схема осветительной схемы параллельного секвенатора с использованием фокусирующего дифракционного мультипликатора

Используя данную математическую модель, в специально созданной программе в среде C++ Builder были рассчитаны функции пропускания ДОЭ, формирующих требуемую световую картину. При изготовлении ДОЭ использовалась фазовая компонента функции Т(х, у):

ф(Х у) = arg(T (х, у). (4)

Стоит отметить, что такой прямой расчет ДОЭ дает существенную неравномерность яркости точек, которая может достигать значений 30-40 % особенно при освещении ДОЭ узким гауссовым пучком. Необходимо применять итерационную процедуру расчета (оптимизацию), в которой путем подбора значений Ii достигается большая степень однородности (до 2-5 %). Фрагмент изготовленной структуры приведен на рис. 3.

На рис. 4, а приведены расчетные распределения интенсивностей формируемых точек при освещении ДОЭ гауссовым пучком (w = 6 мм) без проведения процедуры оптимизации (СКО интенсивностей точек 33%), а на рис. 4, б -распределение интенсивностей после 20 циклов оптимизации (СКО 3,7 %).

Изготовленный в ИАиЭ СО РАН дифракционный оптический элемент (ДОЭ) диаметром 8 мм представляет собой фазовую структуру, сфомирован-ную с помощью прямой лазерной записи по фоторезисту [1] и реактивного ионного травления на кварцевой подложке. Исследуемый ДОЭ трансформирует падающий П-образный или гауссовский пучок в 33 х 33 пучков, фокусирующихся на расстоянии F = 210 мм (рис. 5).

Рис. 4. Распределение интенсивностей точек: а) без оптимизации; б) с оптимизацией

33x33

7,2 мм

7,2 мм

Рис. 5. Матрица пучков 33 х 33 в плоскости фокусировки

Характеристики ДОЭ измерялись с помощью диодного одномодового лазера с длиной волны 532 нм. Исходный пучок лазера расширялся 10х экспандером, проходил через диафрагму диаметром 8 мм и падал на ДОЭ. Дифрагированный свет измерялся фотоматрицей Lumenera Lw620, имеющей 3000 х 2208 пикселей (10,5 х 7,7 мм) с размером одного пикселя квадратной формы 3,5 мкм. Матрица располагалась на расстоянии 210 мм от ДОЭ. На фотоматрице формировались сфокусированные пучки. Геометрический размер каждого пучка по уровню интенсивности е-2 близок к дифракционному пределу, что соответствует примерно 7 пикселям фотоматрицы (рис. 6).

О 50 100 150 200

Пиксели ф огомягрицы

Рис. 6. Форма огибающей пятен двух соседних пучков из матрицы пучков и паразитных пучков на фотоматрице (размер пикселя 3,5 мкм)

По интенсивности паразитных порядков можно оценить дифракционную эффективность данного ДОЭ, как > 90 % в полезном сигнале. Качество каждого сфокусированного пучка близко к гауссовскому основной моды, что определяет разрешающую способность конфокального микроскопа.

Размер сфокусированной матрицы пучков составляет 7,2 х 7,2 мм, т. е. расстояние между соседними пучками - 0,225 мм. Распределение интен-

сивности пучков внутри матрицы неравномерное: в центре оно составляет около половины от максимального значения, которое находится на периферийных областях. Расстояние между пятнами дифракционного изображения можно прецизионно регулировать с помощью экспандера, если с его помощью менять угол схождения/расхождения исходного пучка. Таким образом, возможно осуществлять прецизионный подбор расстояния между центрами крайних пучков в области фокусировки с точностью ± 5 мкм, что достаточно для решения задач диафрагмирования конфокальной матрицей диафрагм и совмещения с матрицей нанореакторов.

Разработка дифракционных элементов, формирующих матрицу лазерных лучей с заданным шагом и распределением интенсивности, повторяющем входное, и одновременной фокусирующих их в заданную плоскость, существенно упрощает схемотехнические решения. Это используется при создании систем многоканального анализа в биологических исследованиях, что было продемонстрировано при создании прототипа ДНК секвенатора СО РАН [2]. Кроме того, такой элемент позволяет на порядок увеличить скорость получения информации в сканирующих лазерных микроскопах [3].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Shimansky R. V. Zone-boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements // Appl. Opt., 45, 53-62 (2006).

2. О создании платформы для исследования нуклеиновых кислот (ДНК-секвенатора) / В. П. Бессмельцев, В. С. Терентьев, В. В. Вилейко, С. А. Бабин, А. М. Шалагин, А. В. Латышев, Д. А. Насимов, Л. И. Федина, Д. В. Пышный, П. Е. Воробьев, В. В. Анненков, Е. Н. Да-ниловцева, С. Н. Зелинский, О. Н. Верхозина, М. А. Грачев, Ю. П. Галачьянц // Прикладная фотоника. - 2016. - Т. 3, № 4. - С. 388-412.

3. Бессмельцев В. П., Терентьев В .С. Многоканальный микроскоп (варианты). Пат. №2574863 // Опубл. 10.02.16. Официальный бюллетень Роспатента. № 4.

© В. П. Бессмельцев, П. С. Завьялов, В. П. Корольков, Р. К. Насыров, В. С. Терентьев, 2017