【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學物理學院光電子科學與技術安徽省重點實驗室張斗國教授課題組提出并實現了一種基于矢量光場調控原理的動量空間偏振濾波器件。將該濾波器件安裝于傳統無標記光學顯微鏡的出射端，它可以對出射光場的背景噪聲進行高效抑制，進而采集到單個納米尺度物體的高對比度、高信噪比光學顯微圖像。研究成果以“Cascaded momentum-space-polarization filters enable label-free black-field microscopy for single nanoparticles analysis”為題在線發表在綜合性學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)。
單個納米尺度物體，如超細大氣顆粒物，金屬/介質納米粒子、生物分子等的物理化學特性及其演化過程與運動行為的精準表征，對于理解和最終控制納米尺度物質的性質和功能至關重要，在基礎科學研究與工業應用方面均具有重要的意義。無標記光學顯微成像技術由于其特有的無損、非侵入、快速探測特性，一直以來被廣泛應用于微觀物體的成像與傳感研究。但對于空氣中單個納米尺度物體來說，其光散射強度隨其粒徑呈6次方的衰減關系，因此其散射光信號強度遠弱于背景噪音，從而導致常規無標記光學顯微鏡難以實現單個納米尺度物體的高對比度、高信噪比成像，更難以實時記錄其演化過程和運動軌跡。
為了解決這個問題，張斗國教授課題組設計并實現了一種動量空間偏振濾波器件(圖1a所示,由偏振片Pi與渦旋半波片Vi組合而成)，它可在動量空間進行矢量場偏振調控，大幅度過濾、抑制各類背景噪聲，只有單個納米尺度物體的光散射信號能透過該濾波器件，被探測器采集到，從而實現了單個納米尺度物體的高對比度、高信噪比的成像探測 (無需圖像后處理，實時呈現單個顆粒物的無標記、寬場光學像)。
作為一種應用展示，該動量空間偏振濾波器件被加載到傳統全內反射顯微鏡(Total internal reflection microscopy, TIRM)的出射端，用于單個納米尺度物體的成像與傳感。如圖1b所示，未加該濾波器件之前，由于信噪比與對比度不足，TIRM拍攝到的單個蛋白子分子圖像上充滿了各類背景噪音，蛋白質分子難以被識別出來。加載該濾波器后，TIRM被轉化為黑場光學顯微鏡(Black field microscopy (BFM)，相對于常規的無標記暗場光學顯微鏡，BFM具有更低(更黑)背景噪音，更高探測靈敏度)。利用BFM，可以實時拍攝到單個蛋白質分子(66 kDa，Bovine serum albumin, BSA,圖1c)、金納米顆粒(直徑5 nm，圖1d)、鈣鈦礦納米晶體(邊長10 nm, 圖1e)的高信噪比與高對比度光學顯微圖像。
更進一步，通過先后通入HCL氣體(圖1f)和HI氣體(圖1g)，單個鈣鈦礦納米晶體會發生離子交換化學反應，其形態、折射率發生變化，從而引起單個納米晶體散射光信號的變化。BFM可以實時記錄了此變化過程，證明BFM可應用于單個納米顆粒化學反應過程的實時記錄，為實時探測單個納米尺度物體物性演化過程中所發生的物理-化學反應探測提供了新型光子學技術。
圖.單個納米尺度物體的無標記光學顯微探測。(a)動量空間偏振濾波器件提升圖像對比度示意圖；(b) 單個66 kDa牛血清白蛋白BSA分子的全內反射成像圖；(c)單個 66 kDa牛血清白蛋白分子的黑場成像圖；(d) 單個5 nm金納米顆粒的黑場成像圖；(e)單個10 nm邊長鈣鈦礦納米晶體的黑場成像圖，(f)納米晶體與HCL反應后的黑場成像圖，(g)納米晶體再與HI反應后的黑場成像圖。
該動量空間濾波器件的突出特點是：在不改變顯微鏡內部結構的情況下，它可以使常規的無標記光學顯微鏡，如表面等離激元共振顯微鏡、TIRM等近場光學顯微鏡，具有黑場成像功能，從而大幅度提升其對單個納米尺度物體的探測靈敏度。本研究工作所發展黑場顯微鏡為單個納米顆粒的分析提供了新平臺，有望在生物學、物理學、環境科學和材料科學等領域得到廣泛應用。
中國科學技術大學博士生劉洋同學為該論文第一作者，陳錢坤同學，馮澤宇同學，張紅莉博士，鄒綱教授為論文共同作者，張斗國教授為論文通訊作者。該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、唐仲英基金會等項目經費的支持。相關樣品制作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心的儀器支持與技術支撐。(物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部)
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