研究實現單個納米尺度物體無標記光學顯微成像

近日，中國科學技術大學教授張斗國課題組提出并實現了一種動量空間偏振濾波器件。將該器件安裝在傳統無標記光學顯微鏡的出射端，可以高效抑制出射光場的背景噪聲，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。研究成果日前在線發表于美國《國家科學院院刊》。

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，它們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意義。

無標記光學顯微成像技術具備特有的無損、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。但由于單個納米尺度物體的散射光信號強度遠弱于背景噪音，導致常規無標記光學顯微鏡難以實現它的高對比度、高信噪比成像，更難以實時記錄其演化過程和運動軌跡。

為解決該問題，張斗國課題組設計并實現了一種基于矢量光調控原理的動量空間偏振濾波器件。它可以大幅度過濾、抑制各類背景噪聲，使得單個納米尺度物體的散射光信號透過，并被探測器采集到，從而實現高對比度、高信噪比的成像探測。

動量空間濾波器件的突出特點是，在不改變常規的無標記光學顯微鏡內部結構的情況下，可以直接安裝在傳統全內反射顯微鏡或表面等離激元共振顯微鏡的出射端，大幅度提升對單個納米尺度物體的探測靈敏度。

張斗國介紹，未加該濾波器件之前，顯微鏡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。加載該濾波器件后，傳統全內反射顯微鏡被轉化為黑場光學顯微鏡，具有更低的背景噪音，更高探測靈敏度，可以實時拍攝到單個蛋白質分子、金納米顆粒、鈣鈦礦納米晶體的高信噪比與高對比度光學顯微圖像。

進一步地，他們往樣品腔內先后通入將氯化氫氣體和氫碘酸氣體。這兩種氣體可以與單個鈣鈦礦納米晶體會發生離子交換化學反應，導致納米晶體的形態、折射率發生變化，從而引起納米晶體散射光信號的變化，這個變化過程可以被黑場光學顯微鏡實時成像，證明了黑場光學顯微鏡可以應用于單個納米顆粒化學反應過程的實時探測，為單個納米尺度物體物性演化過程研究提供了新型光子學技術。

張斗國表示，“此次研究工作所發展的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。”