單個納米尺度物體無標(biāo)記光學(xué)顯微成像

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗室張斗國教授課題組提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于矢量光場調(diào)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(tǒng)無標(biāo)記光學(xué)顯微鏡的出射端，它可以對出射光場的背景噪聲進(jìn)行高效抑制，進(jìn)而采集到單個納米尺度物體的高對比度、高信噪比光學(xué)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(fā)表在綜合性學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。

單個納米尺度物體，如超細(xì)大氣顆粒物，金屬/介質(zhì)納米粒子、生物分子等的物理化學(xué)特性及其演化過程與運(yùn)動行為的精準(zhǔn)表征，對于理解和最終控制納米尺度物質(zhì)的性質(zhì)和功能至關(guān)重要，在基礎(chǔ)科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用方面均具有重要的意義。無標(biāo)記光學(xué)顯微成像技術(shù)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(yīng)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(qiáng)度隨其粒徑呈6次方的衰減關(guān)系，因此其散射光信號強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于背景噪音，從而導(dǎo)致常規(guī)無標(biāo)記光學(xué)顯微鏡難以實(shí)現(xiàn)單個納米尺度物體的高對比度、高信噪比成像，更難以實(shí)時記錄其演化過程和運(yùn)動軌跡。

為了解決這個問題，張斗國教授課題組設(shè)計并實(shí)現(xiàn)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(jìn)行矢量場偏振調(diào)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(shí)現(xiàn)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(shí)時呈現(xiàn)單個顆粒物的無標(biāo)記、寬場光學(xué)像)。

作為一種應(yīng)用展示，該動量空間偏振濾波器件被加載到傳統(tǒng)全內(nèi)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(zhì)分子難以被識別出來。加載該濾波器后，TIRM被轉(zhuǎn)化為黑場光學(xué)顯微鏡（Black field microscopy (BFM)，相對于常規(guī)的無標(biāo)記暗場光學(xué)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(shí)時拍攝到單個蛋白質(zhì)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(xué)顯微圖像。

更進(jìn)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(fā)生離子交換化學(xué)反應(yīng)，其形態(tài)、折射率發(fā)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(shí)時記錄了此變化過程，證明BFM可應(yīng)用于單個納米顆�；瘜W(xué)反應(yīng)過程的實(shí)時記錄，為實(shí)時探測單個納米尺度物體物性演化過程中所發(fā)生的物理-化學(xué)反應(yīng)探測提供了新型光子學(xué)技術(shù)。

圖.單個納米尺度物體的無標(biāo)記光學(xué)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(nèi)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(yīng)后的黑場成像圖，(g)納米晶體再與HI反應(yīng)后的黑場成像圖。

該動量空間濾波器件的突出特點(diǎn)是：在不改變顯微鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，它可以使常規(guī)的無標(biāo)記光學(xué)顯微鏡，如表面等離激元共振顯微鏡、TIRM等近場光學(xué)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(fā)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(xué)、物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生劉洋同學(xué)為該論文第一作者，陳錢坤同學(xué)，馮澤宇同學(xué)，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(xué)基金委、安徽省科技廳、唐仲英基金會等項目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國科學(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。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2321825121