近日，中國科學技術(shù)大學物理學院張斗國教授課題組，在國際學術(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的光場調(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。

研究團隊利用一維光子晶體的動量空間調(diào)控特性，精準調(diào)控照明光的透射角度，并利用這一特性來全方向激發(fā)貴金屬薄膜負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照明光源，研究人員成功實現(xiàn)寬視場、高對比度以及高靈敏度的單顆粒探測成像。該單顆粒探測成像技術(shù)不需要復雜的光學系統(tǒng)對準，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顯微鏡擺脫了對高數(shù)值孔徑油浸物鏡或高折射率棱鏡等體積龐大光學元件的依賴，將進一步推廣表面等離子體散射光學成像技術(shù)在物理、材料以及大氣科學等領(lǐng)域的應用。

論文中，張斗國教授課題組與浙江大學劉旭教授、上海理工大學詹其文教授合作，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)與設計原理如圖1a所示。研究人員利用數(shù)值仿真與單顆粒成像實驗驗證了全方向表面等離子體波照明成像系統(tǒng)具有更加對稱的點擴散函數(shù)（圖1b）。進一步，在實驗上通過對不同粒徑顆粒的散射光強度進行統(tǒng)計，驗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，該照明器件可以實現(xiàn)厘米級別的寬視場全方向表面等離子體波照明，其成像視場面積遠大于基于油浸物鏡的表面等離子體散射光學顯微鏡，且成像系統(tǒng)架構(gòu)簡潔與穩(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特性

在該成像技術(shù)應用上，張斗國教授課題組與安徽光機所劉建國研究員、桂華僑研究員、解智博博士合作，利用該技術(shù)實現(xiàn)了對粒徑約為50nm的單個氣溶膠顆粒吸濕性的實時、無損檢測（如圖2a和b所示），有效解決現(xiàn)有大氣氣溶膠測量手段存在的多顆粒平均測量、操作復雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，為揭示氣溶膠顆粒的物理和化學特性開辟了一種創(chuàng)新性的測量手段。與中國科大化學與材料科學學院鄒綱教授、張紅莉博士后合作，利用該成像技術(shù)實現(xiàn)了對邊長約10nm的鈣鈦礦納米顆粒在離子交換過程中的監(jiān)測與成像，如圖2c-e所示。

圖2 全方向表面等離子體波成像技術(shù)應用于大氣顆粒物吸濕增長測量和鈣鈦礦納米顆?；瘜W反應監(jiān)測

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、透鏡組合成便攜式光學成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了納米顆粒、納米線等微納物體的寬視場成像，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，中國科學技術(shù)大學物理學院博士生尤新祥、范澤滔為本論文共同第一作者，物理學院碩士李成恩也參與了該項研究。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委項目經(jīng)費的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國科學技術(shù)大學微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。

來源：中國科學技術(shù)大學