CN112557262A - 一种单个纳米颗粒的探测方法及探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种单个纳米颗粒探测方法及探测装置，包括：激发表面等离激元驻波；纳米颗粒放置于表面等离激元驻波场；获取探测信号图像；调节表面等离激元驻波波腹位置；调节过程中判断探测信号图像的各个位置是否存在干涉像；若是则存在纳米颗粒；获取纳米颗粒位于波腹位置的图像作为目标信号图像；依据目标信号图像及纳米颗粒的折射率，获取纳米颗粒的尺寸。基于表面等离激元驻波与纳米颗粒相互作用实现单个纳米颗粒的实时探测，可增强局域场分布增加纳米颗粒的散射光强度提高探测灵敏度。折射率较低的介质纳米颗粒散射强度与介质纳米颗粒尺寸成线性关系，可探测到最小介质纳米颗粒直径是传输表面等离激元探测最小纳米颗粒直径的一半。

Description

一种单个纳米颗粒的探测方法及探测装置

技术领域

本发明涉及纳米探测技术领域，更具体地说，涉及一种单个纳米颗粒的探测方法及探测装置。

背景技术

纳米颗粒是指尺寸范围在1至200纳米之间的微小颗粒，根据分布特征，纳米颗粒可以分为人造颗粒及纳米污染物两类。

其中，人造颗粒是指特意制造出来的纳米尺寸颗粒，其具有较均匀分布的特征，存在于指定位置，被应用至生物医学、材料科学和化工等诸多领域；纳米颗粒污染物是指自然界存在的，对人类社会有害的纳米尺度颗粒，包括纳米排放物和病毒等。纳米颗粒污染物广泛存在于自然环境中，对人类生命健康与安全有巨大危害，进而对其进行检测就有着重要意义。

但是，实现对纳米污染物的检测具有较大难度，一方面纳米颗粒具有尺寸极小的特点，由于衍射级次的限制，普通光学显微成像技术无法进行该尺度颗粒检测，需要采用高灵敏度检测手段，另一方面与人造纳米材料相比，纳米颗粒污染物尺寸并非均匀分布，颗粒与颗粒之间具有较大区别，其以极低浓度存在于空气和水等各种载体中，且随时间推迟在不断发生变化，若测试手段只获取颗粒集体特性，则无法很好地描述纳米颗粒污染物的特征。

在现有技术中，采用扫描电子显微镜、质谱仪和颗粒计数仪等进行探测，但是，这些方法的检测时间长，并且需要进行预处理，或者无法实现单个颗粒的探测，或者探测准确度低无法满足要求。

目前，利用谐振腔传感技术、纳米光钎实现纳米颗粒传感和纳米狭缝等技术也可以实现对单个纳米颗粒的探测，但是，其成本较高且对探测环境要求很高，进而限制了其应用范围。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种单个纳米颗粒的探测方法及探测装置，技术方案如下：

一种单个纳米颗粒的探测方法，所述探测方法包括：

在金属薄膜表面激发表面等离激元驻波；

将纳米颗粒放置于所述表面等离激元驻波场中；

对金属薄膜表面成像，获取探测信号图像；

调节所述表面等离激元驻波的波腹位置；

在调节过程中，判断所述探测信号图像的各个位置是否存在散射像；

若是，则相对应位置存在纳米颗粒；

获取所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像作为目标信号图像；

依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息。

优选的，在上述探测方法中，所述在金属薄膜表面激发表面等离激元驻波，包括：

由两束等功率相干激光以同角度，不同方向入射至金属薄膜上，以产生所述表面等离激元驻波。

优选的，在上述探测方法中，所述对金属薄膜表面成像，获取探测信号图像，包括：

获取不存在所述纳米颗粒时的第一图像，以及存在所述纳米颗粒时的第二图像；

所述第二图像与所述第一图像相减，获得所述探测信号图像。

优选的，在上述探测方法中，所述调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，包括：

调节所述两束相干激光的相对相位差，使所述相对相位差从0pi至2pi进行变化，以实现对所述表面等离激元驻波的波腹位置的调节。

优选的，在上述探测方法中，所述依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息包括：

取所述目标信号图像中心亮度强度和作为信号数值，根据所述纳米颗粒的折射率，得到所述纳米颗粒的尺寸信息。

一种单个纳米颗粒的探测装置，所述探测装置包括：

光源、光束整形镜组、相干光调节单元、高数值孔径物镜、镀金属膜盖玻片、表面等离激元驻波及纳米颗粒、成像接收单元和信号处理单元；

其中，所述光源用于出射激光，并入射至所述光束整形镜组；

所述光束整形镜组用于调节所述激光的偏振态和光束分布；

所述相干光调节单元用于产生强度相同且均能激发所述表面等离激元驻波的两束相干光；

所述镀金属膜盖玻片设置于所述高数值孔径物镜上，所述高数值孔径物镜用于将所述两束相干光以准直状态从两侧以相同角度斜入射至所述镀金属膜盖玻片上；

所述相干光调节单元还用于改变所述两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度，还用于调节所述两束相干光与高数值孔径物镜光轴距离，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上；

当入射至所述镀金属膜盖玻片上的光入射角度等于表面等离激元激发角度时，所述镀金属膜盖玻片与上表面介质的分界面上，两束相干光的光斑照明重合位置将激发表面等离激元驻波；

所述成像接收单元用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息，即探测信号图像；

所述相干光调节单元还用于依据所述探测信号图像调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，以使所述纳米颗粒位于所述波腹位置；

所述成像接收单元还用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像，即目标信号图像；

所述信号处理单元用于依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息。

优选的，在上述探测装置中，所述相干光调节单元包括：分束器、棱镜反射镜、单向移动平台、会聚镜组和薄膜分束器；

其中，所述分束器用于将所述光束整形镜组出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别从两侧入射至所述棱镜反射镜；

所述棱镜反射镜设置于所述单向移动平台上，用于同时调节两束相干光与高数值孔径物镜光轴距离，以改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上；

所述会聚镜组用于将通过所述棱镜反射镜的两束相干光进行会聚处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜中。

优选的，在上述探测装置中，所述相干光调节单元还包括：中空屋脊棱镜反射镜和高精度单向移动平台；

其中，经过所述分束器处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜后从一侧入射至所述棱镜反射镜，另一束相干光从另一侧入射至所述棱镜反射镜；

所述中空屋脊棱镜反射镜位于所述高精度单向移动平台上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

优选的，在上述探测装置中，所述相干光调节单元包括：分束器、第一偏振片、第二偏振片、第一保偏光纤、第二保偏光纤、第一光纤夹持微位移平台、第二光纤夹持微位移平台、第一透镜、第二透镜和薄膜分束器；

其中，所述分束器用于将所述光束整形镜组出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别入射至所述第一偏振片和所述第二偏振片上；

通过所述第一偏振片和所述第二偏振片的光分别耦合至所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤中，所述第一保偏光纤位于所述第一光纤夹持微位移平台上，所述第二保偏光纤位于所述第二光纤夹持微位移平台上，用于在所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的入射端口位置不变的情况下，改变出射端的位置，进而改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度；

所述第一透镜用于将通过所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的两束相干光进行处理，产生两束平行光；

所述第二透镜用于将通过所述第一透镜的两束相干光进行处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜中；

所述第一光纤夹持微位移平台与所述第二光纤夹持微位移平台的位置需保证两束光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上。

优选的，在上述探测装置中，所述相干光调节单元还包括：中空屋脊棱镜反射镜和高精度单向移动平台；

其中，经过所述分束器处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜后入射至所述第二偏振片，另一束相干光入射至所述第一偏振片；

所述中空屋脊棱镜反射镜位于所述高精度单向移动平台上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该单个纳米颗粒的探测方法基于表面等离激元驻波与纳米颗粒相互作用实现单个纳米颗粒的实时探测，表面等离激元驻波可以进一步增强局域场分布，从而增加纳米颗粒的散射光强度，进而提高探测灵敏度。

并且，对于折射率较低的介质纳米颗粒，散射强度与介质纳米颗粒尺寸成线性关系，此时能探测到最小介质纳米颗粒直径是传输表面等离激元探测到最小介质纳米颗粒直径的一半。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种单个纳米颗粒的探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种表面等离激元驻波与纳米颗粒相互作用的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种单个纳米颗粒的探测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离激元波腹位置的散射场分布示意图；

图5为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离激元波节位置的散射场分布示意图；

图6为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离结缘位于波腹和波节中间位置的散射场分布示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种单个纳米颗粒的探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种单个纳米颗粒探测方法的流程示意图。

所述单个纳米颗粒探测方法包括：

S101：在金属薄膜表面激发表面等离激元驻波。

在该步骤中，由两束相干激光以同角度，不同方向入射至金属薄膜上，以产生所述表面等离激元驻波。

S102：将纳米颗粒放置于所述表面等离激元驻波场中。

在该步骤中，包括但不限定于通过直接放置或微流控搭载等手段将纳米颗粒放置于所述表面等离激元驻波场中，以使所述纳米颗粒与所述表面等离激元驻波之间相互作用。

S103：对金属薄膜表面成像，获取探测信号图像。

在该步骤中，获取不存在所述纳米颗粒时的第一图像，以及存在所述纳米颗粒时的第二图像；

在所述第二图像中去除掉所述第一图像，获得所述探测信号图像。

S104：调节所述表面等离激元驻波的波腹位置。

在该步骤中，调节所述两束相干激光的相对相位差，使所述相对相位差从0pi至2pi进行变化，以实现对所述表面等离激元驻波的波腹位置的调节。

S105：在调节过程中，判断所述探测信号图像的各个位置是否存在散射像。

S106：若是，则相对应位置存在纳米颗粒。

S107：获取所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像作为目标信号图像。

S108：依据所述目标信号图像，获取纳米颗粒信息。

在该步骤中，取所述目标信号图像中心亮度强度和作为信号数值，根据所述纳米颗粒的折射率，得到所述纳米颗粒的尺寸信息。

需要说明的是，步骤S101和步骤S102的顺序并非固定不变，如果采用直接放置纳米颗粒的方式，一般是先放置纳米颗粒，再激发表面等离激元驻波；若采用微流控搭载的方式，纳米颗粒是随着液体流动过来，可能再冲走等方式，此时表面等离激元驻波一直处于激发过程中。

在该实施例中，该单个纳米颗粒探测方法基于表面等离激元驻波与纳米颗粒相互作用实现单个纳米颗粒的实时探测，表面等离激元驻波由两束相干、等振幅、相向传输的传输表面等离激元干涉产生，同样为分布在金属薄膜界面附件的局域波，然而其与传输表面等离激元场均匀分布不同，表面等离激元驻波场沿界面周期性变化，相同激发功率时，最高位置强度为传输表面等离激元的两倍。

受限于金属薄膜内部自由电子数量，传输表面等离激元随入射光功率增加到一定值时达到饱和状态，进而无法获得更强的局域场分布，但是，表面等离激元驻波通过对金属内自由电子的分布进行调制，能在一些位置获得进一步增强的局域场分布，从而增加纳米颗粒的散射光强度，进而提高探测灵敏度。

并且，对于折射率较低的介质纳米颗粒，散射强度与介质纳米颗粒尺寸成线性关系，此时能探测到最小介质纳米颗粒直径是传输表面等离激元探测到最小介质纳米颗粒直径的一半。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种表面等离激元驻波与纳米颗粒相互作用的示意图。

入射光1和入射光2以相同角度，不同方向入射至玻璃棱镜中，其玻璃棱镜上镀有金属薄膜，当入射光角度满足相位匹配条件时，两束入射光将在金属薄膜与上方介质之间的界面附件分别激发传输表面等离激元，两传输表面等离激元沿着金属薄膜表面相向传输并发生干涉，产生表面等离激元驻波。

表面等离激元驻波表现为振幅沿金属薄膜表面周期变化的强局域场，若金属薄膜表面存在纳米颗粒时，纳米颗粒在极强的场中会发生极化并发出散射光，散射光可以分为界面外散射光和界面散射光两部分，其中，界面外散射光为传输波，向金属薄膜上方各个方向传输；界面散射光则为表面等离激元波，将沿着界面传输并与表面等离激元驻波发生干涉，导致界面附件场分布发生改变，纳米颗粒尺寸及折射率将影响颗粒极化及散射强度。

这种场变化将通过泄漏辐射产生传递至反射光中，通过对反射光成像可以判断单个纳米颗粒有无及自身参数。

由于表面等离激元驻波场分布沿界面周期变化，与传输表面等离激元散射相比，表面等离激元驻波波腹位置具有更强的场分布，与之对应，该位置纳米颗粒具有更强的颗粒极化及散射场分布，即，在相同系统噪声环境下能探测到更小尺寸的纳米颗粒，根据成像图像调节表面等离激元驻波位置，对于低折射率的纳米颗粒，散射强度与颗粒尺寸成线性关系，此时能探测到最小纳米颗粒直径是传输表面等离激元探测到最小纳米颗粒直径的一半。

基于上述描述，可知表面等离激元驻波的激发、调节和反射光的探测，是实现该方法的关键。由于表面等离激元驻波具有不同的激发方式，其实现装置也有不同形式，因此，本申请以两种实现方式进行说明。实现方式一：

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种表面等离激元驻波激发装置的结构示意图。

第一种表面等离激元驻波激发装置包括：光源1、光束整形镜组2、相干光调节单元3、高数值孔径物镜4、镀金属膜盖玻片5、表面等离激元驻波及纳米颗粒6、成像接收单元7和信号处理单元20；

其中，所述光源1用于出射激光，并入射至所述光束整形镜组2；

所述光束整形镜组2用于调节所述激光的偏振态和光束分布；

所述相干光调节单元3用于产生强度相同且均能激发所述表面等离激元驻波的两束相干光；

所述镀金属膜盖玻片5设置于所述高数值孔径物镜4上，所述高数值孔径物镜4用于将所述两束相干光以准直状态从两侧以相同角度斜入射至所述镀金属膜盖玻片5上；

所述相干光调节单元3还用于改变所述两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片5上的角度，还用于同时调节所述两束相干光与高数值孔径物镜光轴距离，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片5上；

当入射至所述镀金属膜盖玻片5上的光入射角度等于表面等离激元激发角度时，所述镀金属膜盖玻片与上表面介质的分界面上，两束相干光的光斑照明重合位置将激发表面等离激元驻波；

所述成像接收单元7用于通过所述高数值孔径物镜4对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息，即探测信号图像；

所述相干光调节单元3还用于依据所述探测信号图像调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，以使所述纳米颗粒位于所述波腹位置；

所述成像接收单元3还用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像，即目标信号图像；

所述信号处理单元20用于依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息。

进一步的，如图3所示，所述相干光调节单元3包括：分束器10、棱镜反射镜11、单向移动平台12、会聚镜组13和薄膜分束器14；

其中，所述分束器10用于将所述光束整形镜组2出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别从两侧入射至所述棱镜反射镜11；

所述棱镜反射镜11设置于所述单向移动平台12上，用于同时调节两束相干光与高数值孔径物镜4光轴距离，以改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片5上的角度，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片4上；

所述会聚镜组13用于将通过所述棱镜反射镜11的两束相干光进行会聚处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器14将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜中。

进一步的，如图3所示，所述相干光调节单元3还包括：中空屋脊棱镜反射镜15和高精度单向移动平台16；

其中，经过所述分束器10处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜15后从一侧入射至所述棱镜反射镜11，另一束相干光从另一侧入射至所述棱镜反射镜11；

所述中空屋脊棱镜反射镜15位于所述高精度单向移动平台16上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

进一步的，如图3所示，所述光束整形镜组2包括：偏振片8和扩束准直镜组9；

其中，所述偏振片8用于出射偏振光，入射至所述扩束准直镜组9，并且，调节所述偏振片8的旋转角度，以使所述高数值孔径物镜4以p光入射至所述镀金属膜盖玻片5上；

所述扩束准直镜组9用于调节光斑尺寸，以满足激发表面等离激元驻波范围。

需要说明的是，所述光束整形镜组2包括但不限定于偏振片和扩束准直镜组，还可以包括其它光学组件，已对光源发出的激光进行整形处理，以满足所需的光束要求。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图3所示，所述成像接收单元7包括：光电探测器18和管镜19；

其中，所述光电探测器18通过所述管镜19和所述高数值孔径物镜4对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息。

下面对第一种探测装置的具体工作过程进行阐述。

单色光源为单波长光源，出射单色光，经过多个反射镜调平后入射至偏振片中，以出射线偏振光，通过调节偏振片的旋转角度，以保证高数值孔径物镜中以p光入射至镀金属膜盖玻片上，然后入射至扩束准直镜组，依据需求选择合理的扩束镜倍数，以实现相应的激发光斑尺寸，保证激发表面等离激元驻波的范围。出射的扩束准直光入射至分束器中，分为相同强度的两束光，两束光分别经过反射镜调节方向后从两侧入射至棱镜反射镜中，棱镜反射镜搭载于一个单行移动平台上，用于改变入射光角度，需要说明的是，在经过棱镜反射镜之前，其中一束光还经过一个搭载于高精度单向移动平台上的中空屋脊棱镜反射镜，用于改变两束入射光的相对相位，以调节表面等离激元驻波的波腹波节的相对位置。

在棱镜反射镜之后，两束准直光将入射至会聚镜组，产生两束会聚光，并经过薄膜分束器反射后入射至高数值孔径物镜，其中，高数值孔径物镜上设置有镀金属盖板片，在高数值孔径物镜的作用下，两束光以准直状态从两侧以相同的角度斜入射至镀金属盖板片上，调节入射光与光轴的横向距离，使两束光斜入射角度等于表面等离激元激发角度时，镀金属盖板片与上表面介质的分界面上，两束光斑照片重合位置将激发表面等离激元驻波。

当表面等离激元驻波附件存在纳米颗粒时，纳米颗粒与表面等离激元驻波的相互作用下，可引起金属界面上场分布变化。不存在纳米颗粒时，是周期变化的明暗条纹，存在纳米颗粒时，在纳米颗粒位置存在一个亮点，及亮点附近形成干涉条纹。

参考图4，图4为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离激元波腹位置的散射场分布示意图。

参考图5，图5为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离激元波节位置的散射场分布示意图。

参考图6，图6为本发明实施例提供的纳米颗粒位于表面等离结缘位于波腹和波节中间位置的散射场分布示意图。

通过调节两束入射光之间的相位差，可以使场变化亮点强度最大并且呈对称分布，此时纳米颗粒位于波腹位置，不断调节两束入射光之间的相位差，还可以使纳米颗粒位于波节位置或波腹波节的之间位置。

这种场分布变化将以泄漏辐射产生的形式传递至反射光中，通过对反射光处理即可得到颗粒信息。

实现方式二：

参考图7，图7为本发明实施例提供的另一种表面等离激元驻波激发装置的结构示意图。

第二种表面等离激元驻波激发装置包括：光源1、光束整形镜组2、相干光调节单元3、高数值孔径物镜4、镀金属膜盖玻片5、表面等离激元驻波及纳米颗粒6、成像接收单元7和信号处理单元8；

其中，所述光源1用于出射激光，并入射至所述光束整形镜组2；

所述光束整形镜组2用于调节所述激光的偏振态和光束分布；

所述相干光调节单元3用于产生强度相同且均能激发所述表面等离激元驻波的两束相干光；

所述镀金属膜盖玻片5设置于所述高数值孔径物镜4上，所述高数值孔径物镜4用于将所述两束相干光以准直状态从两侧以相同角度斜入射至所述镀金属膜盖玻片5上；

所述相干光调节单元3还用于改变所述两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片5上的角度，还用于调节所述两束相干光与高数值孔径物镜4光轴距离，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上；

当入射至所述镀金属膜盖玻片5上的光入射角度等于表面等离激元激发角度时，所述镀金属膜盖玻片与上表面介质的分界面上，两束相干光的光斑照明重合位置将激发表面等离激元驻波；

所述成像接收单元7用于通过所述高数值孔径物镜4对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息，即探测信号图像；

所述相干光调节单元3还用于依据所述探测信号图像调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，以使所述纳米颗粒位于所述波腹位置；

所述成像接收单元7还用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像，即目标信号图像；

所述信号处理单元8用于依据所述目标信号图像和所述纳米颗粒的折射率，获得所述纳米颗粒的尺寸。

进一步的，如图7所示，所述相干光调节单元3包括：分束器10、第一偏振片11、第二偏振片12、第一保偏光纤13、第二保偏光纤14、第一光纤夹持微位移平台15、第二光纤夹持微位移平台16、第一透镜17、第二透镜18和薄膜分束器19；

其中，所述分束器10用于将所述光束整形镜组2出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别入射至所述第一偏振片11和所述第二偏振片12上；

通过所述第一偏振片11和所述第二偏振片12的光分别耦合至所述第一保偏光纤13和所述第二保偏光纤14中，所述第一保偏光纤13位于所述第一光纤夹持微位移平台15上，所述第二保偏光纤14位于所述第二光纤夹持微位移平台16上，用于在所述第一保偏光纤13和所述第二保偏光纤14的入射端口位置不变的情况下，改变出射端的位置，进而改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片5上的角度；

所述第一透镜17用于将通过所述第一保偏光纤13和所述第二保偏光纤14的两束相干光进行处理，产生两束平行光；

所述第二透镜18用于将通过所述第一透镜17的两束相干光进行处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器19将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜4中；

所述第一光纤夹持微位移平台15与第二光纤夹持微位移平台16位置应保证两束光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片5上。

进一步的，如图7所示，所述相干光调节单元3还包括：中空屋脊棱镜反射镜20和高精度单向移动平台21；

其中，经过所述分束器10处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜20后入射至所述第二偏振片12，另一束相干光入射至所述第一偏振片11；

所述中空屋脊棱镜反射镜20位于所述高精度单向移动平台21上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图7所示，所述成像接收单元7包括：光电探测器23和管镜22；

其中，所述光电探测器23通过所述管镜22和所述高数值孔径物镜4对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息。

进一步的，如图7所示，所述光束整形镜组2为整形透镜9。

需要说明的是，所述光束整形镜组2用于调节激光出射光光斑尺寸及偏振态，使光能以p偏振态，能量损失较少的耦合至第一保偏光纤和第二保偏光纤中。

下面对第二种探测装置的具体工作过程进行阐述。

单色光源为单波长光源，出射单色光，经过分束器分成相同强度的两束光，其中一路经过一个搭载在高精度单向移动平台上的中空屋脊棱镜反射镜，通过反射镜调节后入射至其中一个偏振片中，另一路直接入射至另一个偏振片中，以出射线偏振光，通过调节偏振片的旋转角度，以保证高数值孔径物镜中以p光入射至镀金属膜盖玻片上，两束出射光分别耦合至两个保偏光纤中，保偏光纤分别放置于两个光纤夹持微位移平台上，用于在光纤入射端口位置不变的情况下，精确移动保偏光纤出射端位置，从而改变高数值孔径物镜中斜入射角度。

保偏光纤中出射的发散光均入射至第一透镜中，得到两束平行光，再入射至第二透镜中，出射两束会聚光，经过薄膜分束器入射至高数值孔径物镜中，高数值孔径物镜上设置有镀金属盖玻片，在高数值孔径物镜的作用下，两束光以准直状态从两侧以相同的角度斜入射至镀金属盖玻片上。

当两束光斜入射角度等于表面等离激元激发角度时，金属薄膜与上表面介质的分界面上，两束光斑照明重合位置将激发表面等离激元驻波。

当表面等离激元驻波附件存在纳米颗粒时，纳米颗粒与表面等离激元驻波的相互作用下，可引起金属界面上场分布变化。不存在纳米颗粒时，是周期变化的明暗条纹，存在纳米颗粒时，在纳米颗粒位置存在一个亮点，及亮点附近形成干涉条纹。

如图4所示，通过调节两束入射光之间的相位差，可以使场变化亮点强度最大并且呈对称分布，此时纳米颗粒位于波腹位置，如图5和图6所示，不断调节两束入射光之间的相位差，还可以使纳米颗粒位于波节位置或波腹波节的之间位置。

这种场分布变化将以泄漏辐射产生的形式传递至反射光中，通过对反射光处理即可得到颗粒信息。

基于上述两种表面等离激元驻波的激发装置，其中，光电探测器对表面等离激元驻波散射进行直接成像，得到的图像包含了表面等离激元驻波散射与反射背景光斑的总和，由于反射背景光斑呈现非均匀分布，且带有背景噪声，进而需要对直接采集的信号进行处理，以降低背景分布和背景噪声等因素对信号的影响。

采用光电探测器测量没有颗粒的信号作为背景光，为了消除实验过程带来的测量误差，分别选取多组测量结果进行平均处理。其次，调节表面等离激元驻波位置，使纳米颗粒位于波腹位置，取存在纳米颗粒时的成像图案(也可以去多副图像进行平均处理，在此并不作限定)。将有处理后的存在纳米颗粒的测量结果与不存在纳米颗粒的测量结果相减，并减去实际测量的光电探测器暗噪声，以降低反射光斑的背景噪声及光电探测器暗噪声的影响，进而增强散射场与背景的对比度，得到优质的单个纳米颗粒的成像。

在相同条件下进行不同尺寸纳米颗粒的成像实验，截取成像极化亮点区域并进行灰度值叠加作为成像强度值，并综合理论分析结果，即可得出纳米颗粒尺寸与成像强度值的对应关系，即可根据获取的信息获取待测纳米颗粒的尺寸信息。

以上对本发明所提供的一种单个纳米颗粒的探测方法及探测装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单个纳米颗粒的探测方法，其特征在于，所述探测方法包括：

在金属薄膜表面激发表面等离激元驻波；

将纳米颗粒放置于所述表面等离激元驻波场中；

对金属薄膜表面成像，获取探测信号图像；

调节所述表面等离激元驻波的波腹位置；

在调节过程中，判断所述探测信号图像的各个位置是否存在散射像；

若是，则相对应位置存在纳米颗粒；

获取所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像作为目标信号图像；

依据所述目标信号图像，获取纳米颗粒信息。

2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述在金属薄膜表面激发表面等离激元驻波，包括：

由两束等功率相干激光以同角度，不同方向入射至金属薄膜上，以产生所述表面等离激元驻波。

3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述对金属薄膜表面成像，获取探测信号图像，包括：

获取不存在所述纳米颗粒时的第一图像，以及存在所述纳米颗粒时的第二图像；

所述第二图像与所述第一图像相减，获得所述探测信号图像。

4.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，包括：

调节所述两束相干激光的相对相位差，使所述相对相位差从0pi至2pi进行变化，以实现对所述表面等离激元驻波的波腹位置的调节。

5.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息包括：

取所述目标信号图像中心亮度强度和作为信号数值，根据所述纳米颗粒的折射率，得到所述纳米颗粒的尺寸信息。

6.一种单个纳米颗粒的探测装置，其特征在于，所述探测装置包括：

光源、光束整形镜组、相干光调节单元、高数值孔径物镜、镀金属膜盖玻片、表面等离激元驻波及纳米颗粒、成像接收单元和信号处理单元；

其中，所述光源用于出射激光，并入射至所述光束整形镜组；

所述光束整形镜组用于调节所述激光的偏振态和光束分布；

所述相干光调节单元用于产生强度相同且均能激发所述表面等离激元驻波的两束相干光；

所述镀金属膜盖玻片设置于所述高数值孔径物镜上，所述高数值孔径物镜用于将所述两束相干光以准直状态从两侧以相同角度斜入射至所述镀金属膜盖玻片上；

所述相干光调节单元还用于改变所述两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度，还用于调节所述两束相干光与高数值孔径物镜光轴距离，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上；

当入射至所述镀金属膜盖玻片上的光入射角度等于表面等离激元激发角度时，所述镀金属膜盖玻片与上表面介质的分界面上，两束相干光的光斑照明重合位置将激发表面等离激元驻波；

所述成像接收单元用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述表面等离激元驻波的近场分布图像信息，即探测信号图像；

所述相干光调节单元还用于依据所述探测信号图像调节所述表面等离激元驻波的波腹位置，以使所述纳米颗粒位于所述波腹位置；

所述成像接收单元还用于通过所述高数值孔径物镜对反射光进行成像，以获得所述纳米颗粒位于所述波腹位置的图像，即目标信号图像；

所述信号处理单元用于依据所述目标信号图像，获得纳米颗粒信息。

7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述相干光调节单元包括：分束器、棱镜反射镜、单向移动平台、会聚镜组和薄膜分束器；

其中，所述分束器用于将所述光束整形镜组出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别从两侧入射至所述棱镜反射镜；

所述棱镜反射镜设置于所述单向移动平台上，用于同时调节两束相干光与高数值孔径物镜光轴距离，以改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度，实现所述两束相干光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上；

所述会聚镜组用于将通过所述棱镜反射镜的两束相干光进行会聚处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜中。

8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述相干光调节单元还包括：中空屋脊棱镜反射镜和高精度单向移动平台；

其中，经过所述分束器处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜后从一侧入射至所述棱镜反射镜，另一束相干光从另一侧入射至所述棱镜反射镜；

所述中空屋脊棱镜反射镜位于所述高精度单向移动平台上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

9.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述相干光调节单元包括：分束器、第一偏振片、第二偏振片、第一保偏光纤、第二保偏光纤、第一光纤夹持微位移平台、第二光纤夹持微位移平台、第一透镜、第二透镜和薄膜分束器；

其中，所述分束器用于将所述光束整形镜组出射的光分为相同强度的两束相干光；所述两束相干光分别入射至所述第一偏振片和所述第二偏振片上；

通过所述第一偏振片和所述第二偏振片的光分别耦合至所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤中，所述第一保偏光纤位于所述第一光纤夹持微位移平台上，所述第二保偏光纤位于所述第二光纤夹持微位移平台上，用于在所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的入射端口位置不变的情况下，改变出射端的位置，进而改变两束相干光入射至所述镀金属膜盖玻片上的角度；

所述第一透镜用于将通过所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的两束相干光进行处理，产生两束平行光；

所述第二透镜用于将通过所述第一透镜的两束相干光进行处理，产生两束会聚光；

所述薄膜分束器将会聚处理后的两束相干光入射至所述高数值孔径物镜中；

所述第一光纤夹持微位移平台与所述第二光纤夹持微位移平台的位置需保证两束光以相同角度不同方向入射至所述镀金属膜盖玻片上。

10.根据权利要求9所述的探测装置，其特征在于，所述相干光调节单元还包括：中空屋脊棱镜反射镜和高精度单向移动平台；

其中，经过所述分束器处理得到的两束相干光中，其中一束相干光经过所述中空屋脊棱镜反射镜后入射至所述第二偏振片，另一束相干光入射至所述第一偏振片；

所述中空屋脊棱镜反射镜位于所述高精度单向移动平台上，用于改变两束相干光的相对相位以及调节表面等离激元驻波波腹波节的位置。

Images