表面波光學顯微鏡研究取得新進展

2020-11-28 中國科大..

表面波光學顯微鏡主要用於研究表面或界面處光與物質的相互作用、樣品表面或界面處的行為特徵。目前常用的表面波光學顯微鏡是利用金屬（通常為金或銀）薄膜負載的表面等離子體波（Surface Plasmons, SPs）作為照明光源的表面等離子體共振顯微鏡（Surface Plasmon Resonance Microscopy, SPRM），它被廣泛應用於細胞、細菌、病毒、DNA、蛋白質等生物體的無標記成像研究。但SPRM存在兩個不足之處，限制了其更為廣泛的應用：第一，由於SPs的傳播特性，導致了SPRM在SPs傳播方向的空間解析度通常為幾個微米，遠大於光波的衍射極限；第二，由於SPs需要特定的激發條件且顯微物鏡的數值孔徑有限，導致了SPRM對入射光的波長、偏振及襯底材料有一定要求，如入射光必須是長波，且必須是p偏振光，樣品必須放置在金屬材料上。

針對上述不足，中國科學技術大學光學與光學工程系微納光學與技術課題組張鬥國副教授、王沛教授，與浙江大學劉旭、匡翠方教授，中國科學院安徽光學精密機械研究所劉建國、桂華僑研究員，中國科大高分子科學與工程系鄒綱教授，美國馬裡蘭大學醫學院J.R. Lakowicz教授等合作，提出並實現了一種基於旋轉照明的表面波光學顯微成像新技術，提高了無標記成像的解析度，拓展了表面波光學顯微鏡的應用範疇，相關研究成果以「Label-free surface-sensitive photonic microscopy with high spatial resolution using azimuthal rotation illumination」為題，發表在國際權威期刊《Science Advances》上。

圖1.(a)基於旋轉照明的表面波顯微鏡實驗架構；(b) 利用雙振鏡掃描系統控制入射角度(徑向角θ和方位角φ)

圖1a所示為在自主搭建的光學顯微鏡上加載了旋轉照明模塊。利用掃描振鏡精確、高速的調節光束入射角度，在保持徑向角度（θ對應表面波的共振激發角度）不變的情況下，讓方位角在0°到360°之間高速旋轉（圖1b），進而在各個方向激發傳播的SPs。無需圖像處理，利用探測器採集圖像的時間平均效應可自然地提高SPRM成像解析度。如圖2a所示，被成像樣品是一根彎曲介質納米線，利用常規的SPRM只能看到模糊的圖案，並有很多條紋造成的假象；而利用旋轉照明SPRM，可有效分辨出此納米線的形貌和彎曲（圖2b）。對比實驗證明，旋轉照明有效提高了SPRM成像解析度，解決了目前SPRM存在的第一個不足之處。

圖2.SPRM成像效果對比圖，單根彎曲納米線放置在金屬薄膜上，(a)常規SPRM成像圖，(b)旋轉照明SPRM成像圖

為了解決第二個不足之處，介質多層膜負載的布洛赫表面波（Bloch Surface Waves, BSWs）被提出用來替代金屬薄膜的SPs，從而研製出另外一種表面波光學顯微鏡：Bloch surface wave microscopy (BSWM)。其優勢在於：介質薄膜（頂層材料為玻璃）穩定性優於金屬薄膜且易於進行生化修飾；BSWM既可以工作於長波也可以工作於短波；BSWs的穿透深度可以調節，可以實現不同深度的表面成像；BSWM可以工作於p偏振和s偏振入射光，有利於偏振敏感樣品的測量與表徵。基於這些優勢，BSWM的應用範圍更為廣泛。

該論文共同第一作者是光學與光學工程系研究生蒯雁和課題組畢業生陳俊學博士（現工作於西南科技大學），通訊作者為張鬥國副教授。上述研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省科技廳等項目經費的支持。相關樣品製作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與製造中心的儀器支持與技術支撐。

附論文連接：http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaav5335


（物理學院、科研部）

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