CN105510640A - 一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，该光学显微镜采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源；金属纳米线扫描探针包括粘结在石英共振音叉或原子力显微镜探针上的金属纳米线，或粘结在石英共振音叉上含有金属纳米线的空心光纤管；测量光路采用显微镜进行宏观光路与微观光路的桥接，外接光源，采用载波技术进行弱信号探测，采用偏振光谱与单色仪配合相应的滤波片进行波长分光，采用CCD、单光子计数器收集光学信号。还公开了金属纳米线扫描探针的制备及修饰。本发明将金属纳米线等离激元的发射作为纳米光源激发样品，在提高光学分辨率、增强光与样品的相互作用、实现可控偏振纳米光源等成像技术方面具有重要意义。

Description

一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜

技术领域

本发明属于近场光学显微测量技术领域，具体涉及一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜。

背景技术

由于瑞利分辨率的限制，传统光学显微镜分辨率被限制在所使用的照明光波长范围。人们对突破衍射极限的光学显微技术的探索已经进行了几十年。扫描近场光学显微镜（ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy,以下简称SNOM）是基于扫描探针的近场光学显微技术，其分辨率突破光学衍射极限，最高可达到约10纳米，是对常规光学显微镜的革命。扫描近场光学显微镜因为针尖会接近样品到几至十几纳米的距离，从而探测样品的近场光学信息，因此被称为扫描近场光学显微镜。

基于针尖在仪器中的不同角色，扫描近场光学显微镜有多种工作方式：（1）照射模式，一般用光纤镀膜探针作为纳米光源；（2）接收模式，一般用光纤探针作为接受器，包括用光纤探针将消逝场转化为传播场；（3）反射模式，镀膜光纤既是光源也是接受器，适用于不透明的样品；（4）散射模式，针尖将传播光场或消逝光场散射后被远场收集，多适用于不透明的样品。在以上的配置方式中，探针的质量决定了SNOM图像的分辨率和信噪比，是SNOM中的关键技术。目前国际上最为常用的有孔探针是锥形光纤微探针。

基于针尖是否传导光学信号，扫描近场光学显微镜可以分为两大类：孔径型和无孔径型。对于孔径型近场光学显微镜，人们通常使用尖端尺度很小的锥形光纤或中空的尖端钻孔的塔形结构作为纳米尺度的照射光源；然而，尖端小尺度的锥形光纤无法支持高强度的入射光，大部分的入射光在尖端处被反射，并且高强度光产生的热效应会破坏光纤的尖端。对于无孔径型近场光学显微镜，近场散射很难保持信号光偏振信息的完整性，并且，入射背景光的强度非常高，如何降低背景提高信噪比是一个极大的挑战。

因此，提出一种具有高性噪比、高保偏性的近场扫描光学显微镜，是本领域急需解决的重大难题。

发明内容

本发明的第一个目的是解决孔径型近场光学显微镜无法支持高强度的入射光、无孔径型近场光学显微镜无法保持近场光偏振信息的完整性，以及入射背景光的强度非常高导致信噪比低的问题，利用金属纳米线表面等离激元发射的优异光学特性，提出通过光纤近场耦合或者远场照明的方式在金属纳米线的一端激发表面等离激元，表面等离激元在纳米线另一端的发射作为激发样品的光源。

本发明的第二个目的是解决将金属纳米线同扫描探针固定并将光耦合进金属纳米线的问题，提出金属纳米线扫描探针的几种制备方法。

本发明的第三个目的是解决提高扫描分辨率、增强系统信噪比、实现特定方向出射/偏振等光学功能的问题，提出金属纳米线探针的修饰方案。

本发明的第四个目的是解决手性生物分子的高空间分辨率光学识别和成像的问题，提出通过激发方式调控金属纳米线的发射偏振特性，得到偏振可调的纳米光源。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一，提供一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，包括金属纳米线扫描探针，近场光学显微镜的针尖反馈，扫描平台以及测量光路，该光学显微镜采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源；所述金属纳米线扫描探针包括粘结在石英共振音叉或原子力显微镜探针上的金属纳米线，或粘结在所述石英共振音叉上含有所述金属纳米线的空心光纤管；所述测量光路采用显微镜进行宏观光路与微观光路的桥接，外接光源，采用载波技术进行弱信号探测，采用偏振光谱与单色仪配合相应的滤波片进行波长分光，采用CCD、单光子计数器收集光学信号。

进一步，所述纳米光源是通过光纤近场耦合或者远场照明的方式在所述金属纳米线的一端激发表面等离激元，所述表面等离激元在所述金属纳米线另一端发射作为激发样品的光源。

进一步，所述金属纳米线的金属材料采用金、银、铝，所述金属纳米线的直径为25-200纳米。

进一步，所述外接光源为激光、可见光、近红外光或红外光。

进一步，所述近场光学显微镜的针尖反馈采用微悬臂梁或石英共振音叉进行反馈。

更进一步，所述扫描平台包括平移台和压电陶瓷，所述平移台用于粗调，所述压电陶瓷用于精细调节。

更加进一步，所述空心光纤管由光纤或石英管经光纤拉伸机拉伸制得，其直径为微米量级。

第二，提供一种制备用于基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的金属纳米线扫描探针的方法，所述方法包括选自如下各项的方法：

（1）方法一，其步骤包括：采用显微物镜远场照明的方法来激发所述金属纳米线，通过所述金属纳米线端头的局域光场增强效应来探测信号；在所述金属纳米线一端粘上粘稠物质，用微操台精确控制将所述金属纳米线贴到作为表面探针的石英共振音叉表面上或原子力显微镜探针的表面上，并进行固化连接，即制得所述金属纳米线扫描探针。

（2）方法二，其步骤包括：采用所述空心光纤管作为光波导来激发所述金属纳米线，用微操台将所述金属纳米线一端吸入到所述空心光纤管中，然后将吸入了所述金属纳米线的空心光纤管粘到所述石英共振音叉上面，所述空心光纤管与所述金属纳米线同时作为所述金属纳米线扫描探针。

进一步，所述微操台的核心部件为与显微镜联合在一起的微米级精度手控调节平台。

更进一步，所述（1）方法一所述粘稠物质为紫外固化胶，所述固化连接是通过紫外曝光固化连接。

第三，提供一种用于基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的金属纳米线扫描探针的修饰方法，通过FIB刻蚀、化学液相腐蚀改变金属纳米线端头的形貌，通过微纳操控技术在所述金属纳米线端头组装金属纳米颗粒、发光分子。

第四，提供一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的应用，通过激发方式调控所述金属纳米线的发射偏振特性，得到偏振可调的纳米光源，用于对偏振敏感材料的近场高分辨显微成像。

进一步，所述激发方式是通过改变入射光偏振和入射方向的方式来调控所述金属纳米线中纵向基模m=0和横向偶极子模式m=±1的激发强度和相位差，控制金属纳米线端头的发射光偏振特性。

更进一步，所述发射光为圆偏振时，用于手性生物分子的高空间分辨率光学识别和成像。

本发明利用金属纳米线表面等离激元发射的优异光学特性，包括特定角度发射、局域电磁场增强、发射偏振特性可调等。采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源，与孔径型近场光学显微镜相比，由于金属纳米线的金属材质以及表面等离激元在传播过程中被束缚在金属纳米线表面而不泄漏的特点，可承受更高强度的远场入射光；与无孔型近场光学显微镜相比，金属纳米线表面等离激元的发射偏振状态可以通过激发方式调控，可实现线偏振保偏以及圆偏振/椭圆偏振的光发射；另一方面，与常规近场光学显微镜相比，金属纳米线表面等离激元的发射具有方向性，其背景杂散光的影响更小，因此信噪比更高。

此外，由于金属纳米线等离激元的发射偏振特性可通过激发方式调控，可以成为偏振可调的纳米光源，因此，可以设计一种基于偏振激发模式的近场扫描光学方式，尤其当发射光为圆偏振时，可以用来研究生物分子手性识别。

本发明将金属纳米线等离激元的发射作为纳米光源激发样品，在提高光学分辨率、增强光与样品的相互作用、实现可控偏振纳米光源等成像技术方面具有重要意义。

本发明的有益效果：

1、金属纳米线的金属材质以及表面等离激元在传播过程中被束缚在金属纳米线表面而不泄漏的特点，可承受更高强度的远场入射光从而解决孔径型近场光学显微镜无法支持高强度入射光的问题。

2、金属纳米线表面等离激元的发射偏振状态可以通过激发方式调控，可实现线偏振保偏以及圆偏振/椭圆偏振的光发射；解决了无孔径型近场光学显微镜无法保持近场光偏振信息完整性的问题。

3、金属纳米线表面等离激元的发射具有方向性，其背景杂散光的影响更小，因此信噪比更高。

4、金属纳米线等离激元的发射偏振特性可通过激发方式调控，可以成为偏振可调的纳米光源，因此，可以设计一种基于偏振激发模式的近场扫描光学方式。尤其当发射光为圆偏振时，可以用来研究生物分子手性识别。

5、将金属纳米线等离激元的发射作为纳米光源激发样品，能够提高光学分辨率、增强光与样品的相互作用、实现可控偏振纳米光源等成像技术。

附图说明

图1为本发明实施例的金属纳米线扫描探针的几种可能构型；

图2为本发明实施例的金属纳米线插入细胞光学图；

图3为本发明实施例的系统结构俯视图；

图4为本发明实施例的光源激发示意图；

图5为本发明实施例的信号光探测示意图。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

如图所示，本实施例提供的技术方案：

第一，一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，包括金属纳米线扫描探针，近场光学显微镜的针尖反馈，扫描平台以及测量光路，该光学显微镜采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源；所述金属纳米线扫描探针包括粘结在石英共振音叉或原子力显微镜探针上的金属纳米线，或粘结在所述石英共振音叉上含有所述金属纳米线的空心光纤管；所述测量光路采用显微镜进行宏观光路与微观光路的桥接，外接光源，采用载波技术进行弱信号探测，采用偏振光谱与单色仪配合相应的滤波片进行波长分光，采用CCD、单光子计数器收集光学信号。

第二，提供一种制备用于基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的金属纳米线扫描探针的方法，所述方法包括选自如下各项的方法：

（1）方法一，其步骤包括：采用显微物镜远场照明的方法来激发所述金属纳米线，通过所述金属纳米线端头的局域光场增强效应来探测信号；在所述金属纳米线一端粘上粘稠物质，用微操台精确控制将所述金属纳米线贴到作为表面探针的石英共振音叉表面上或原子力显微镜探针的表面上，并进行固化连接，即制得所述金属纳米线扫描探针。

（2）方法二，其步骤包括：采用所述空心管作为光波导来激发所述金属纳米线，用微操台将所述金属纳米线一端吸入到所述空心光纤管中，然后将吸入了所述金属纳米线的空心光纤管粘到所述石英共振音叉上面，所述空心光纤管与所述金属纳米线同时作为所述金属纳米线扫描探针。

第三，提供一种用于基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的金属纳米线扫描探针的修饰方法，通过FIB刻蚀、化学液相腐蚀改变金属纳米线端头的形貌，通过微纳操控技术在所述金属纳米线端头组装金属纳米颗粒、发光分子。

第四，提供一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的应用，通过激发方式调控所述金属纳米线的发射偏振特性，得到偏振可调的纳米光源，用于对偏振敏感材料的近场高分辨显微成像。

本实施例包含了金属纳米线探针的制备与修饰，近场光学显微镜的针尖反馈、扫描平台与测量光路几个部分，以及一种基于偏振激发模式的近场扫描光学显微术。以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例中金属纳米线的材料为金、银、铜、铝等，这些金属材料在对应的光波段具有自由电子密度高，波导传播损耗小的优点。金属纳米线直径尺寸选择在25纳米至200纳米，在此尺寸范围内，金属纳米线波导支持纵向基模m=0和横向偶极子模式m=±1，从而在金属纳米线表面形成螺旋传播的能量波，使得金属纳米线出射端的光具有偏振性，并且偏振性可以通过激发光进行调节。

实施例中金属纳米线探针的几种制备方法如图1所示，关键是将金属纳米线同扫描探针固定并将光耦合进纳米线。

方案一是金属纳米线一端滴紫外固化胶，再用微操台精确控制将金属纳米线贴到作为表面探针的石英共振音叉表面上所图1（a）所示，或原子力显微镜探针的表面上如图1（c）所示，并通过紫外曝光固化连接；采用这种构型时，金属纳米线需要用通过显微物镜远场照明的方法来激发，通过金属纳米线端头的局域光场增强效应来探测信号。其优点是方案实施简单。

方案二是先用微操台将金属纳米线一端吸入到空心光纤管中所图1（d）所示，再将空心光纤管和金属纳米线一同粘到石英共振音叉上面，此时空心光纤管和金属纳米线同时作为扫描探针，而空心光纤管同时作为光波导来激发金属纳米线所图1（b）所示。我们已经成功地用这种构造将纳米线插入到活体细胞中如图2所示。此方案的优点是光纤会大大提高入射光耦合进金属纳米线的效率，同时降低入射光对信号的干扰。

实施例中微操所用的具有微米级别的空心管可以通过光纤拉伸机对光纤或石英管进行拉伸得到。微操系统的核心部件是一个与显微镜联合在一起的具有微米级别精度的手控调节平台。

实施例中对金属纳米线探针的修饰目标包括但不限于提高扫描分辨率、增强系统信噪比、实现特定方向出射/偏振等光学功能。对金属纳米线探针的修饰方案包括改变金属纳米线端头的曲率半径、形貌，以及在金属纳米线端头组装金属纳米颗粒、发光分子等。金属纳米线端头形貌可以通过FIB刻蚀、化学液相腐蚀实现。在金属纳米线端头组装金属纳米颗粒、发光分子可以通过微纳操控技术实现，以期实现巨大的局域场增强或者产生某种特殊的光学分布。

实施例中为了扫描成像时可以实时地监控金属纳米线与样品表面的距离，近场光学显微镜的针尖反馈方式与传统扫描近场光学显微镜SNOM或原子力显微镜AFM技术相仿，可以用微悬臂梁（cantilever）或石英共振音叉（tuningfork）来进行反馈，这是较为成熟的技术。微悬臂技术利用一束激光作为探测，照射在微悬臂上面，通过一个四象限光电探测器检测激光的位置；探测针尖在微悬臂的下面，当样品与针尖的作用力发生改变，导致微悬臂发生倾斜角度的变化，反射的探测激光位置发生变化，最终体现在光电探测器上的输出电压发生变化。石英共振音叉技术采用一个电驱动信号使音叉在固有频率下振动，当固定于音叉上的针尖与样品之间作用力发生变化时，其振动振幅和相位发生变化，最终输出为电压信号，反映出样品与针尖之间的距离变化。

实施例中扫描平台与测量光路如图3所示。采用平移台进行大范围的粗调，再用压电陶瓷作为三维精细调节。用显微镜实现宏观光路与微观光路的桥接，外接激光作为光源，可见光、近红外光或红外光也可以作为外接光源，通过物镜聚焦或光纤耦合至纳米线的一端，从另外一端发射激发样品，如图4所示；信号光通过物镜以反射或投射模式收集，用单色仪配合相应的滤波片实现波长分光，用CCD实现光谱测量，用光电倍增管实现弱信号的探测，如图5所示；根据不同研究体系的性质，本实施例可以收集的光学信号包括但不限于拉曼信号、荧光、光致发光以及上转换信号等。

实施例中可通过改变入射光偏振和入射方向的方式来调控纳米线中纵向基模m=0和横向偶极子模式m=±1的激发强度和相位差，从而控制纳米线端头的发射光的偏振特性，实现偏振可调的纳米光源，可实现一种基于偏振可调激发模式的近场扫描光学显微术。例如当发射光为圆偏振时，可以用来实现手性生物分子的高空间分辨率光学识别和成像。

本实施例采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源，由于表面等离激元在传播过程中被束缚在金属纳米线表面而不泄漏的特点，可承受更高强度的远场入射光；金属纳米线表面等离激元的发射偏振状态可以通过激发方式调控，可实现线偏振保偏以及圆偏振/椭圆偏振的光发射；金属纳米线表面等离激元的发射具有方向性，其背景杂散光的影响更小，因此信噪比更高。

Claims (14)

1.一种基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，包括金属纳米线扫描探针，近场光学显微镜的针尖反馈，扫描平台以及测量光路，其特征在于：该光学显微镜采用金属纳米线中传播型表面等离激元作为纳米光源；所述金属纳米线扫描探针包括粘结在石英共振音叉或原子力显微镜探针上的金属纳米线，或粘结在所述石英共振音叉上含有所述金属纳米线的空心光纤管；所述测量光路采用显微镜进行宏观光路与微观光路的桥接，外接光源，采用载波技术进行弱信号探测，采用偏振光谱与单色仪配合相应的滤波片进行波长分光，采用CCD、单光子计数器收集光学信号。

2.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述纳米光源是通过光纤近场耦合或者远场照明的方式在所述金属纳米线的一端激发表面等离激元，所述表面等离激元在所述金属纳米线另一端发射作为激发样品的光源。

3.根据权利要求1或2所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述金属纳米线的金属材料采用金、银、铝，所述金属纳米线的直径为25-200纳米。

4.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述外接光源为激光、可见光、近红外光或红外光。

5.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述近场光学显微镜的针尖反馈采用微悬臂梁或石英共振音叉进行反馈。

6.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述扫描平台包括平移台和压电陶瓷，所述平移台用于粗调，所述压电陶瓷用于精细调节。

7.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜，其特征在于：所述空心光纤管由光纤或石英管经光纤拉伸机拉伸制得，其直径为微米量级。

8.一种制备用于权利要求1所述光学显微镜的金属纳米线扫描探针的方法，其特征在于，所述方法包括选自如下各项的方法：

（1）方法一，其步骤包括：采用显微物镜远场照明的方法来激发所述金属纳米线，通过所述金属纳米线端头的局域光场增强效应来探测信号；在所述金属纳米线一端粘上粘稠物质，用微操台精确控制将所述金属纳米线贴到作为表面探针的石英共振音叉表面上或原子力显微镜探针的表面上，并进行固化连接，即制得所述金属纳米线扫描探针；

（2）方法二，其步骤包括：采用所述空心光纤管作为光波导来激发所述金属纳米线，用微操台将所述金属纳米线一端吸入到所述空心光纤管中，然后将吸入了所述金属纳米线的空心光纤管粘到所述石英共振音叉上面，所述空心光纤管与所述金属纳米线同时作为所述金属纳米线扫描探针。

9.根据权利要求8所述的制备金属纳米线扫描探针的方法，其特征在于：所述微操台的核心部件为与显微镜联合在一起的微米级精度手控调节平台。

10.根据权利要求8所述的制备金属纳米线扫描探针的方法，其特征在于：所述（1）方法一所述粘稠物质为紫外固化胶，所述固化连接是通过紫外曝光固化连接。

11.一种用于权利要求1所述光学显微镜的金属纳米线扫描探针的修饰方法，其特征在于：通过FIB刻蚀、化学液相腐蚀改变金属纳米线端头的形貌，通过微纳操控技术在所述金属纳米线端头组装金属纳米颗粒、发光分子。

12.根据权利要求1所述的基于金属纳米线表面等离激元纳米光源的光学显微镜的应用，其特征在于：通过激发方式调控所述金属纳米线的发射偏振特性，得到偏振可调的纳米光源，用于对偏振敏感材料的近场高分辨显微成像。

13.根据权利要求12所述的光学显微镜的应用，其特征在于：所述激发方式是通过改变入射光偏振和入射方向的方式来调控所述金属纳米线中纵向基模m=0和横向偶极子模式m=±1的激发强度和相位差，控制金属纳米线端头的发射光偏振特性。

14.根据权利要求12所述的光学显微镜的应用，其特征在于：所述发射光为圆偏振时，用于手性生物分子的高空间分辨率光学识别和成像。