近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院張斗國(guó)教授課題組，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上發(fā)表了題為“Large field-of-view plasmonic scattering imaging and sensing of nanoparticles with isotropic point-spread-function”的技術(shù)研究型論文。該研究依托微納光學(xué)的光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，提出了一種基于一維光子晶體和貴金屬薄膜的全方向表面等離激元照明器件。
研究團(tuán)隊(duì)利用一維光子晶體的動(dòng)量空間調(diào)控特性，精準(zhǔn)調(diào)控照明光的透射角度，并利用這一特性來(lái)全方向激發(fā)貴金屬薄膜負(fù)載的表面等離子體波。利用該全方向表面等離子體波做為近場(chǎng)照明光源，研究人員成功實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)、高對(duì)比度以及高靈敏度的單顆粒探測(cè)成像。該單顆粒探測(cè)成像技術(shù)不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小易于集成化，可直接兼容到傳統(tǒng)明場(chǎng)顯微鏡或便攜式、集成化的成像系統(tǒng)上。該器件的提出使得表面等離子體散射光學(xué)顯微鏡擺脫了對(duì)高數(shù)值孔徑油浸物鏡或高折射率棱鏡等體積龐大光學(xué)元件的依賴，將進(jìn)一步推廣表面等離子體散射光學(xué)成像技術(shù)在物理、材料以及大氣科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
論文中，張斗國(guó)教授課題組與浙江大學(xué)劉旭教授、上海理工大學(xué)詹其文教授合作，將一維光子晶體、貴金屬薄膜、納米顆粒摻雜聚合物薄膜等微納結(jié)構(gòu)組成的光子器件集成到常規(guī)LED照明光源上，實(shí)現(xiàn)了全方向表面等離子體波的激發(fā)。該光子器件的架構(gòu)與設(shè)計(jì)原理如圖1a所示。研究人員利用數(shù)值仿真與單顆粒成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了全方向表面等離子體波照明成像系統(tǒng)具有更加對(duì)稱的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（圖1b）。進(jìn)一步，在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)對(duì)不同粒徑顆粒的散射光強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證了該全方向表面等離激元照明器件在納米顆粒并行探測(cè)方面具有更高的靈敏度，如圖所示1c所示。另外，得益于一維光子晶體和貴金屬薄膜的平面化特性，該照明器件可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別的寬視場(chǎng)全方向表面等離子體波照明，其成像視場(chǎng)面積遠(yuǎn)大于基于油浸物鏡的表面等離子體散射光學(xué)顯微鏡，且成像系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)潔與穩(wěn)定。
圖1 全方向表面等離子體波照明器件架構(gòu)示意圖及其單顆粒探測(cè)特性
在該成像技術(shù)應(yīng)用上，張斗國(guó)教授課題組與安徽光機(jī)所劉建國(guó)研究員、桂華僑研究員、解智博博士合作，利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒徑約為50nm的單個(gè)氣溶膠顆粒吸濕性的實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè)（如圖2a和b所示），有效解決現(xiàn)有大氣氣溶膠測(cè)量手段存在的多顆粒平均測(cè)量、操作復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，為揭示氣溶膠顆粒的物理和化學(xué)特性開(kāi)辟了一種創(chuàng)新性的測(cè)量手段。與中國(guó)科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院鄒綱教授、張紅莉博士后合作，利用該成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊長(zhǎng)約10nm的鈣鈦礦納米顆粒在離子交換過(guò)程中的監(jiān)測(cè)與成像，如圖2c-e所示。
圖2 全方向表面等離子體波成像技術(shù)應(yīng)用于大氣顆粒物吸濕增長(zhǎng)測(cè)量和鈣鈦礦納米顆?；瘜W(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)
為了展示該全方向表面等離子體波照明器件的高集成化、便攜型和寬視場(chǎng)照明特性，研究人員還將全方向表面等離子體波照明器件、智能手機(jī)、透鏡組合成便攜式光學(xué)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒、納米線等微納物體的寬視場(chǎng)成像，如圖3所示。
圖3便攜式全方向表面等離子體波照明成像系統(tǒng)及其成像效果
該工作中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士生尤新祥、范澤滔為本論文共同第一作者，物理學(xué)院碩士李成恩也參與了該項(xiàng)研究。該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
