近日，中國科學技術大學物理學院張斗國教授課題組，在國際學術期刊《自然·通訊》上發表了題為“Large field-of-view plasmonic scattering imaging and sensing of nanoparticles with isotropic point-spread-function”的技術研究型論文。該研究依托微納光學的光場調控技術，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控特性，精準調控照明光的透射角度，并利用這一特性來全方向激發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不需要復雜的光學系統對準，其結構緊湊，體積小易于集成化，可直接兼容到傳統明場顯微鏡或便攜式、集成化的成像系統上。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在物理、材料以及大氣科學等領域的應用。

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構組成的光子器件集成到常規LED照明光源上，實現了全方向表面等離子體波的激發。該光子器件的架構與設計原理如圖1a所示。研究人員利用數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具有更加對稱的點擴散函數（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，且成像系統架構簡潔與穩定。

圖1 全方向表面等離子體波照明器件架構示意圖及其單顆粒探測特性

在該成像技術應用上，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，利用該技術實現了對粒徑約為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，系統穩定性差等問題，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，利用該成像技術實現了對邊長約10nm的鈣鈦礦納米顆粒在離子交換過程中的監測與成像，如圖2c-e所示。

圖2 全方向表面等離子體波成像技術應用于大氣顆粒物吸濕增長測量和鈣鈦礦納米顆粒化學反應監測

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，實現了納米顆粒、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及其成像效果

該工作中，中國科學技術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。

來源：中國科學技術大學