光學成像將進入亞納米時代

2020-12-05 騰訊網

上圖所示為亞納米解析度的單分子光致發光成像實驗裝置示意圖

來自中國科學院中國科學技術大學（USTC）的Dong Zhenchao教授和Hou Jianguo教授將光致發光成像的空間解析度從8nm提高到~8埃米。首次實現了單分子螢光成像的亞分子解析度。這項研究發表在近日的《自然光子學Nature Photonics》上。

利用光實現原子解析度一直是納米光學的終極目標之一，掃描近場光學顯微鏡（SNOM）的出現點燃了人們對這一目標的希望。

Dong教授和他的同事在2013年的一項研究中成功地展示了單分子拉曼光譜成像中的亞納米級空間解析度，以及納米腔等離子體場的局部增強效應。

然而，與拉曼散射過程不同的是，螢光將在金屬附近被猝滅，這將阻止掃描近場光學顯微鏡（SNOM）在10nm左右的解析度提升。

金屬納米腔中分子的輻射特性（螢光）直接受納米腔光子密度的影響，而納米腔的光子密度與探針尖端的結構密切相關。因此，改變探針的結構和納米空腔中分子的電子態是避免螢光猝滅，實現高解析度螢光成像的關鍵。

Dong的團隊進一步微調了等離子體子納米腔，特別是在探針尖端原子級結構的製造和控制方面。他們構建了一個帶有原子突起的銀尖端，並將納米腔等離子體共振與入射雷射和分子發光的有效能量相匹配。

隨後，研究人員利用超薄介質層（三原子厚的NaCl）隔離納米空腔分子與金屬基底之間的電荷轉移，實現了單分子光致發光成像的亞納米解析度。

他們發現，隨著探針接近分子，即使它們的距離小於1nm，光致發光的強度仍然單調地增加。螢光猝滅完全消失。

理論模擬表明，當原子突起尖端和金屬基底形成等離子體納米腔時，納米腔等離子體子的共振響應和原子突起結構的避雷針效應將產生協同效應。這種協同效應產生一個強而高度局部化的電磁場，將腔模體積壓縮到1 nm3以下，大大提高了局域態光子密度和分子輻射衰變率。這些效應不僅抑制了螢光猝滅，而且實現了亞納米解析度的光致發光成像。

為了獲得亞納米級的空間解析度，針尖的尺寸和針尖與樣品之間的距離必須在亞納米尺度上。

研究人員進一步利用光譜信息實現了分子分辨光致發光高光譜成像，並在亞納米尺度上演示了局域等離子體激元相互作用對螢光強度、峰位和峰寬的影響。

本研究實現了人們期待已久的利用光來分析掃描近場光學顯微鏡中分子內部結構的目標，為在亞納米尺度上探測和調控分子局域環境和光與物質相互作用提供了一種新的技術手段。

《自然光子學Nature Photonics》的評論者認為，本文將是該領域的一篇重要文章，對利用原子尺度光進行超靈敏光譜顯微鏡研究具有指導意義。

來源：https://phys.org/news/2020-08-optical-imaging-sub-nanometer-era.html

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