CN104020085A - 一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测与显微成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光测量技术领域中的一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测和显微成像方法，微纳粒子的直径范围覆盖10纳米到400纳米。本发明利用高数值孔径的浸油显微物镜激发贵金属/介质界面的表面等离子体共振，该焦平面处的光场分布经微纳粒子散射并由另一显微物镜收集后作为信号光与参考光进行偏振外差干涉，通过提取透射光的纵向偏振态的振幅和相位，实现微纳粒子的探测和成像。本发明利通过控制表面等离子体的激发条件，使直径大于400纳米的粒子在该激发下不产生表面等离子体共振，从而去除大粒子背景，实现在大粒子存在的背景中探测并成像微纳粒子。

Description

一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测与显微成像方法

技术领域

本发明属于激光外差测量技术领域，涉及一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测与显微成像方法。

背景技术

用光学的方法探测亚波长及以下尺寸的微纳粒子是一个很大的挑战，这是因为根据瑞丽散射理论，粒子的散射强度跟粒子的直径大小成正比，例如，当粒子的直径由200nm降到5nm时，其散射光强将急速降低4.1*10⁹倍。另外，由于纳米物体的散射截面很小，当用光照射时，只有极少部分的入射光可以入射到它身上，而绝大部分入射光都成为了背景噪声。为了提高信噪比，会自然想到将光高效地会聚到纳米粒子上。但即使使用高数值孔径的浸油显微物镜，受衍射极限的限制，其爱里斑直径约为594nm(He-Ne激光入射，NA＝1.3)，而待检测的纳米粒子直径～5nm，在焦面处只有～1/14000的入射光可以与之作用，因此来自纳米粒子的微弱散射信号就迅速淹没在强大的背景噪声之中。相对于可发光的荧光纳米粒子的探测，由于斯托克斯位移，荧光纳米粒子的发射光波长相对于吸收波长发生红移，因此可以通过光学滤波片将粒子的发射信号从入射背景中分离出来。相比之下，不发光的纳米粒子的信号提取就十分困难，因为入射光与散射光具有相同的波长和方向。现有的正交偏振显微镜可以利用大颗粒散射光的偏振旋转，而从入射光背景中提取散射信号，但是对于小粒子就显得无能为力。

为了抑制背景噪声，Sonnichsen，Schultz(Appl.Phys.Lett.77,2949(2000))等利用暗场显微照明、全内反射等技术提高信噪比，实现了粒径在～40nm的金粒子的光学探测。法国的Boyer团队(Science297,1160(2002))提出了光热的方法，利用金纳米粒子在其局部表面等离子体共振波长处具有强烈吸收的特性，用一束高能量的泵浦激光加热金纳米粒子，同时用另外一束较弱的激光来探测由温度引起的局域折射率变化，从而实现了小到5nm的金粒子的探测。Orrit及其课题组(Opt.Exp.15,2273(2007))运用时间分辨的脉冲激光干涉法探测了小到10nm的单个金粒子。Sandoghdar团队(Phys.Rev.Lett.93,037401(2004))利用超连续谱白光激光器实现了小到8nm的单个金粒子探测同时实现了单个粒子的表面等离子体共振谱的测量。本发明人(Nano Lett.11,541(2011))提出了正交偏振与外差干涉的方法实现了小到5nm的金粒子的探测和成像。

相对于金纳米粒子，普通非金属材料粒子的探测就更加困难：1)折射率相对于所处的介质环境变化不大；2)背景中存在的大粒子所产生的散射信号将完全淹没小粒子信号。但是现有技术尚无法解决该问题。

随着生命科学的飞速发展，生化制药，细胞成像等领域小粒子探测提出了更高的要求：实现微纳粒子的无背景干扰探测和成像。本发明可以很好的解决在大粒子存在的背景噪声中实现金属、非金属材料的微纳粒子的探测和成像。

发明内容

针对上述背景中提到的微纳粒子探测方法的不足，本发明提出了一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测和显微成像方法。

本发明的技术方案是，一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测和显微成像方法，该方法应用于激光偏振外差干涉显微测量装置，该装置包括：激光器、分束装置、扩束装置、偏振调解装置、可变光阑、浸油显微物镜、镀有贵金属的待测粒子样品片、显微物镜、反射镜、反射镜、光频调制装置、扩束装置、偏振调解装置、分光棱镜、光电探测器、锁相放大信号处理装置和计算机；利用以上组成部分实现以下步骤：

步骤1：激光器输出的偏振光经过分束装置分为两路，分别送入信号光分支和参考光分支：

信号光分支：经过扩束装置、偏振调解装置、可变光阑、浸油显微物镜聚焦到镀有贵金属的待测粒子样品片、经焦点位于玻璃片的显微物镜收集后经反射镜、形成频率为f的信号光；

参考光分支：经过反射镜、光频调制装置、扩束装置、偏振调解装置形成频率为(f+Δf)的参考光；

经过信号光分支和参考光分支后的信号光和参考光变为频差为Δf的正交线偏振光；

步骤2：具有频差为Δf的信号光和参考光经分光棱镜进行空间重叠，重合为一束光照射到光电探测器上；

步骤3：将光电探测器的输出电信号和光频调制装置的驱动电信号输入锁相放大信号处理装置提取振幅和相位；

步骤4：锁相放大信号处理装置的振幅和相位输出送入计算机进行同步采样并生成点扫描的振幅、相位图像；

由高数值孔径的浸油显微物镜激发微纳粒子所处的贵金属/介质界面的表面等离子体共振，利用横向偏振的参考光提取焦平面处透射信号光中的纵向偏振态的光场分布，获得以两瓣图案为特征的振幅图象；

激发条件的设置以如下所述为原则：数值孔径内的激发角可以使得微纳粒子所处位置的贵金属能够产生表面等离子体共振，而激发大粒子所处位置的表面等离子体共振所需的激发角超出浸油物镜所能提供的激发角，从而不能发生表面等离子体共振。

所述的镀有贵金属的待测粒子样品片是在玻璃的一面镀有厚度为20纳米到100纳米的金或银或铂或铝等贵金属，在该金属表面固定待测粒子样品，玻璃的另一面经油与浸油物镜匹配。

附图说明

图1为偏振外差干涉测量系统光路图。

1 激光器；2 分束装置；3 扩束装置；4 偏振调解装置；5 可变光阑；6 高数值孔径浸油物镜；7 镀有贵金属的待测粒子样品片；8 显微物镜9 反射镜；10 反射镜；11 光频调制装置；12 扩束装置；13 偏振调解装置；14 分光棱镜；15 光电探测器；16 锁相放大信号处理装置；17 计算机；

图2A为高数值孔径浸油物镜在x偏振光激发下透射光的纵向偏振态在焦平面位置处的振幅分布图。

图2B为高数值孔径浸油物镜在y偏振光激发下透射光的纵向偏振态在焦平面位置处的振幅分布图。

具体实施方式

下面结合附图对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的目的是在有大粒子存在的环境噪声中探测并成像微纳粒子，提出了一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测和显微成像方法。

本发明方法应用于激光偏振外差干涉显微测量装置，该装置包括激光器1、分束装置2、扩束装置3、扩束装置4偏振调解装置5、偏振调解装置6浸油/浸水物镜7、镀有贵金属的玻璃片8、物镜9、反射镜10、声光调制器装置11、普通分光棱镜12、偏振装置13、偏振装置16光电探测器14、信号处理装置15；利用以上组成部分实现；

本发明的具体步骤为：

步骤1：激光器1输出的偏振光经过分束装置2分为两路，分别送入信号光分支和参考光分支；

信号光分支：经过扩束装置3、偏振调解装置4、可变光阑5、浸油显微物镜6聚焦到镀有贵金属的待测粒子样品片7、经焦点位于玻璃片的显微物镜8收集后经反射镜9、形成频率为f的信号光；

参考光分支：经过反射镜10、光频调制装置11、扩束装置12、偏振调解装置13形成频率为f+Δf的参考光；

经过信号光分支和参考光分支后的信号光和参考光变为频差为Δf的正交线偏振光；

步骤2：具有频差为Δf的正交信号光和参考光经分光棱镜14进行空间重叠，重合为一束光照射到光电探测器15上；

步骤3：将光电探测器15的输出电信号和声光调制器11的驱动电信号输入锁相放大信号处理装置16提取振幅和相位；

步骤4：锁相放大信号处理装置16的振幅和相位输出送入计算机17进行同步采样并生成逐点扫描的振幅、相位图像；

下面用图1和图2说明不受背景影响的微纳粒子测量原理。

激光器1发出的线偏振光经过分束装置2分为信号光分支和参考光分支；信号光分支经过扩束装置3、偏振装置4、可变光阑5后变为垂直于光束传播方向的线偏振光，例如x偏振光，经数值孔径为1.3的浸油物镜会聚到镀有金的玻璃表面，透射光由显微物镜8收集；参考光经过声光调制装置11、扩束装置12、偏振装置13后形成与信号光具有频差Δf且偏振态正交的线偏振光，例如y偏振光；信号光经反射镜9后与参考光经分光棱镜空间重叠为一束光照射到pin光电二极管15上，光电二极管15的输出与声光调制器的驱动信号分别作为信号源与参考源送入锁相放大信号处理装置16进行信号处理后，输出信号的振幅和相位，由计算机17进行同步采样，逐点生成振幅和相位图像。

孔径光阑5的设置调整浸油物镜的数值孔径，使得在最大入射角下入射光能够激发微纳粒子所处位置的表面等离子体共振；表面等离子共振发生后，透射光的纵向偏振态,得到增强并且发生相位移动，该透射光经显微物镜8收集后可以与横向偏振的参考光进行干涉；控制入射角，使直径大于400nm的大粒子所处的位置不发生表面等离子体共振，透射光的纵向偏振态与参考光的干涉为0；从而提取出以图2A所示的两瓣形状为特征的纵向偏振光的振幅图。

将上述所诉的信号光改为y偏振光，参考光改为x偏振光，则纵向偏振光的振幅图如图2B所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种不受背景影响的微纳粒子的光学探测和显微成像方法，该方法应用于激光偏振外差干涉显微测量装置，该装置包括：激光器(1)、分束装置(2)、扩束装置(3)、偏振调解装置(4)、可变光阑(5)、浸油显微物镜(6)、镀有贵金属的待测粒子样品片(7)、显微物镜(8)、反射镜(9)、反射镜(10)、光频调制装置(11)、扩束装置(12)、偏振调解装置(13)、分光棱镜(14)、光电探测器(15)、锁相放大信号处理装置(16)；计算机(17)；其特征在于，利用该装置实现以下步骤： 

步骤1：激光器(1)输出的偏振光经过分束装置(2)分为两路，分别送入信号光分支和参考光分支； 

信号光分支：经过扩束装置(3)、偏振调解装置(4)、可变光阑(5)、浸油显微物镜(6)聚焦到镀有贵金属的待测粒子样品片(7)、经焦点位于玻璃片的显微物镜(8)收集后经反射镜(9)、形成频率为f的信号光； 

参考光分支：经过反射镜(10)、光频调制装置(11)、扩束装置(12)、偏振调解装置(13)形成频率为(f+Δf)的参考光； 

经过信号光分支和参考光分支后的信号光和参考光变为频差为Δf的正交线偏振光； 

步骤2：具有频差为Δf的信号光和参考光经分光棱镜(14)进行空间重叠，重合为一束光照射到光电探测器(15)上； 

步骤3：将光电探测器(15)的输出电信号和光频调制装置(11)的驱动电信号输入锁相放大信号处理装置(16)提取振幅和相位； 

步骤4：锁相放大信号处理装置(16)的振幅和相位输出送入计算机(17)进行同步采样并生成点扫描的振幅、相位图像。 

2.根据权利要求1所述的光学探测和显微成像方法，其特征是由高数值孔径的浸油显微物镜激发微纳粒子所处的贵金属/介质界面的表面等离子体共振，利用横向偏振的参考光提取焦平面处透射信号光中的纵向偏振态的光场分布，获得以两瓣图案为特征的振幅图象。 

3.根据权利要求1或2所述的光学探测和显微成像方法，其特征是激发条件的设置以如下所述为原则：数值孔径内的激发角可以使得微纳粒子所处位置的贵金属能够产生表面等离子体共振，而激发大粒子所处位置的表面等离子体共振所需的激发角超出浸油物镜所能提供的激发角，从而不能发生表面等离子体共振。 

4.根据权利要求1或2所述的光学探测和显微成像方法，其特征是镀有贵金属的待测粒子样品片是在玻璃的一面镀有厚度为20纳米到100纳米的金或银或铂或铝等贵金属，在该金属表面固定待测粒子样品，粒子的分布密度为小于或等于1个粒子/艾里斑直径，玻璃的另一面经油与浸油物镜匹配。 

5.根据权利要求3所述的光学探测和显微成像方法，其特征是镀有贵金属的待测粒子样品片是在玻璃的一面镀有厚度为20纳米到100纳米的金或银或铂或铝等贵金属，在该金属表面固定待测粒子样品，粒子的分布密度为小于或等于1个粒子/艾里斑直径，玻璃的另一面经油与浸油物镜匹配。