光學成像進入亞納米時代

中國科學院（CAS）中國科技大學董振超教授和侯建國教授將光致發光成像的空間解析度從8納米提高至[8]。首次實現了單分子光螢光成像的亞分子解析度。

這項研究發表在8月10日的《自然光子》雜誌上。

用光達到原子解析度一直是納米光學的終極目標之一，而掃描近場光學顯微鏡（SNOM）的出現為這一目標帶來了希望。

董教授和他的同事在2013年的一項研究中成功地在單分子拉曼光譜成像中展示了亞納米尺度空間解析度，並具有納米引力彈性場的局部增強效應。

然而，與拉曼散射過程不同，螢光將在金屬附近淬火，從而在 10 nm 左右停止 SNOM 的解析度發展。

金屬納米層分子的輻射特性（螢光）直接影響納米密度的光子密度，納米密度的光子密度與探針尖端的結構密切相關。因此，改變探針的結構以及納米機中分子的電子狀態，避免螢光淬火，實現高解析度光螢光成像是關鍵。

董團隊進一步微調了板子納米機度，特別是在製造和控制探針尖端的原子級結構方面。他們構建了具有原子突起的Ag尖端頂點，將納米細胞質質諧振與事件雷射和分子發光的有效能量相匹配。

然後，研究人員使用超薄介電層（三原子厚NaCl）來分離納米層分子和金屬基板之間的電荷轉移，實現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，即使距離小於1納米，光致發光的強度繼續單調地增加。螢光淬火完全消失。

理論仿真表明，當原子突起尖端和金屬基板形成一個表面納米時，納米突起突觸的共振響應和原子突起結構的避雷棒效應將具有協同效應。協同效應產生強和高度局部的電磁場，將空腔模式體積壓縮到 1 nm 以下3，大大提高了狀態的局部光子密度和分子輻射衰減率。這些效果不僅抑制了螢光淬火，而且實現了亞納米解析度光發光成像。

要達到亞納米空間解析度，尖端的大小和尖端與樣品之間的距離必須在亞納米尺度上。

研究人員利用光譜信息進一步實現了亞分子解析光致發光超光譜成像，並演示了局部磁體-興奮性相互作用對亞納米尺度螢光強度、峰值位置和峰值寬度的影響。

本研究實現了用光分析SNOM分子內部結構這一期待已久的目標，為檢測和調節分子局部環境和亞納米尺度上的光物質相互作用提供了一種新的技術方法。

《自然光子》的審評人認為，本文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。