CN112557363B - 一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别装置及方法，目的在于克服传统光学成像无法识别单个金属纳米粒子的限制，利用飞秒激光激发并调制金属纳米粒子的多光子荧光过程，通过对比飞秒激光自干涉相位与金属纳米粒子的多光子荧光调制相位，实现单个金属纳米粒子的识别。本发明由飞秒激光双光束制备系统、激光自干涉光强探测系统、多光子荧光激发与收集系统、数据提取与处理系统四个部分组成；相比于传统暗场成像与荧光成像，不需要突破衍射极限，就可以识别单个金属纳米粒子。相比于扫描电子显微镜与原子力显微镜等表征方法，不需要特别制备样品，不需要在真空条件下测量，可以实现原位无损探测，探测后的样品可以继续开展其他测量或者应用。
Description
技术领域
本发明属于光成像技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法。
背景技术
贵金属纳米粒子，如金和银纳米粒子，具有局域表面等离子体共振效应(Localized Surface Plasmon Resonance，简称LSPR)。LSPR可以将入射电磁波局域在纳米尺度范围内，并显著提升电磁波的强度，实现光学信号的放大与调制。同时金属纳米粒子具有良好的发光特性、光稳定性和生物兼容性，因此金属纳米粒子在生物医学、化学反应示踪、分析传感等方面具有重要的应用。
金属纳米粒子的尺寸通常在100nm以下，识别金属纳米粒子的数量与聚集状态，如单粒子、二聚体、多聚体等，是开展相关研究与应用的基础。常规光学成像方法，如暗场成像，共聚焦荧光成像等，受限于衍射极限，其分辨率在200nm以上，难以识别单个金属纳米粒子。目前主要使用电子透射显微镜、扫描电子显微镜或者原子力显微镜来识别单个金属纳米粒子。这些方法具有非常高的空间分辨率，然而样品需要特殊制备，无法实现原位无损检测，特别是无法实现活体检测。因此亟需一种新的光学识别方法，实现原位、无损以及活体检测，为金属纳米粒子在生物医学、化学反应示踪、分析传感等方面的应用提供新的检测手段。
发明内容
本发明的目的在于克服传统光学成像无法识别单个金属纳米粒子的限制，提出一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别装置及方法，利用飞秒激光激发并调制金属纳米粒子的多光子荧光过程，通过对比飞秒激光自干涉相位与金属纳米粒子的多光子荧光调制相位，实现单个金属纳米粒子的识别。
本发明采用的技术方案是：
一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别装置，它包括飞秒激光双光束制备系统、激光自干涉光强探测系统、多光子荧光激发与收集系统、数据提取与处理系统四个部分；
所述飞秒激光双光束制备系统包括飞秒激光器、起偏器、反射镜、等比分束镜、第一角隅棱镜式反射镜、第二角隅棱镜式反射镜、电光调制晶体和电光调制晶体控制器；所述飞秒激光器用于激发金属纳米粒子产生多光子荧光，所述起偏器设在飞秒激光器的出射光路上，所述反射镜设在起偏器的出射光路上，所述等比分束镜设在反射镜的反射光路上，并形成光强相等的透射激光和反射激光；所述第一角隅棱镜式反射镜位于透射激光的光路上；所述电光调制晶体和第二角隅棱镜式反射镜依次位于反射激光的光路上；透射激光和反射激光分别进入两个角隅棱镜式反射镜经其反射后再次回到等比分束镜，并在等比分束镜处进行合束，形成合束激光；所述电光调制晶体控制器用于对电光调制晶体施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光和反射激光的相对相位
所述激光自干涉光强探测系统包括不等比分束镜和高速光电探测器；所述不等比分束镜设在合束激光的入射光路上，所述高速光电探测器设在不等比分束镜的反射光路上；
所述多光子荧光激发与收集系统包括短通滤色片、物镜、被测金属纳米粒子样品、二维位移台、二维位移台控制器和单光子探测器；所述短通滤色片设在不等比分束镜的透射光路上，所述物镜设在短通滤色片的反射光路上，所述被测金属纳米粒子样品设在二维位移台上，所述二维位移台设在物镜的出射光路上，所述二维位移台控制器的信号输出端与二维位移台的信号输入端连接；
所述合束激光经短通滤色片反射，被物镜聚焦，激发被测金属纳米粒子样品产生的多光子荧光再次进入物镜及短通滤色片，然后进入空间滤波器滤波后被单光子探测器探测，并将探测信号传输至电脑；
所述数据提取与处理系统包括电脑及设置在电脑中的数据处理程序，所述电脑的信号输入端分别与飞秒激光器、高速光电探测器以及单光子探测器的信号输出端连接；所述电脑的信号输出端与二维位移台控制器的信号输入端连接。
进一步地，所述飞秒激光器的中心波长和脉冲宽度根据被测金属纳米粒子样品的光学特性进行选择。
进一步地，所述飞秒激光器的中心波长为800nm，脉冲宽度为15fs，重复频率为80MHz。
进一步地，所述电光调制晶体控制器对电光调制晶体施加的电压波形为锯齿波，调制周期为1ms，调制频率f＝0.5Hz。
进一步地，所述空间滤波器由第一透镜、针孔和第二透镜组成，所述第一透镜、针孔和第二透镜依次设置在多光子荧光的光路上。
进一步地，所述不等比分束镜对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中10％的光强反射进入高速光电探测器，90％的光强透射进入短通滤色片。
进一步地，所述被测金属纳米粒子样品为旋涂在基片上的裸金属纳米粒子或标记在生物体中的金属纳米粒子。
本发明还提供一种基于上述单粒子快速识别装置的识别方法，包括以下步骤：
1)飞秒激光双光束的制备：飞秒激光器产生的激光依次经起偏器、反射镜及等比分束镜，形成光强完全相等的透射激光和反射激光；透射激光和反射激光分别进入两个角隅棱镜式反射镜经其反射后再次回到等比分束镜，并在等比分束镜处进行合束，形成合束激光；电光调制晶体控制器对电光调制晶体施加具有特定波形和周期的电压，改变两束激光的相对相位
周期性调节相对相位
实现激光自干涉光强和金属纳米粒子多光子荧光的周期性调制；
2)激光自干涉光强的探测：合束激光经不等比分束镜分束，10％的激光光强进入高速光电探测器探测，探测信号进入电脑；
3)多光子荧光的激发与收集：合束激光经不等比分束镜分束，90％的激光光强进入短通滤色片，经短通滤色片反射，被物镜聚焦，激发被测金属纳米粒子样品产生多光子荧光；多光子荧光穿过物镜和短通滤色片后，被空间滤波器滤波后被单光子探测器探测，并将探测信号传输至电脑；
4)数据提取与处理，具体处理过程包括：
a)选定电光调制晶体控制器的运行频率f与积分时间T；
b)记录积分时间T内，高速光电探测器所收集到的激光自干涉光强随调制时间的变化曲线，提取激光调制相位
根据公式(一)对激光调制相位
进行二值化处理，即：
c)记录积分时间T内，单光子探测器所收集到的多光子荧光信号随调制时间的变化曲线，提取多光子荧光调制相位
根据公式(二)对调制相位
进行二值化处理，即：
d)根据公式(三)计算激光调制相位
与多光子荧光调制相位
的乘积，即相位乘积
所述相位乘积
的计算结果为+1或者-1；
e)扫描样品，以
为物理量进行成像，即获得相位乘积成像，即可实现单粒子的快速识别。
进一步地，当激光聚焦区域内仅有一个金属纳米粒子时，相位乘积
只呈现出+1或者-1；当激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子时，相位乘积
呈现出+1和-1交替出现的情况；对+1和-1赋值不同颜色，通过相位乘积成像可以快速识别单个金属纳米粒子：对于单个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现单色分布；对于多个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现双色混合分布。
本发明的原理如下：
局域表面等离子体共振效应使金属纳米粒子具有良好的高阶非线性光学效应；因此使用飞秒激光激发金属纳米粒子可以获得极强的多光子荧光信号(一种典型的高阶非线性光学效应)。这种多光子荧光对金属纳米粒子的偏振取向非常敏感；当激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子时，不同金属纳米粒子因偏振取向不同而呈现出不同的多光子荧光发射行为。当使用双光束飞秒激光激发金属纳米粒子，并周期性调制两束激光的相对相位，可以周期性调制两束激光的自干涉光强以及金属纳米粒子的多光子荧光强度。通过记录激光自干涉强度和多光子荧光强度随调制时间的变化行为，可以分别提取激光调制相位以及多光子荧光调制相位。计算激光调制相位与多光子荧光调制相位之积，简称相位乘积。通过相位乘积可以识别单个金属纳米粒子：当激光聚焦区域内仅有一个金属纳米粒子，该相位乘积呈只现出+1或者-1；当激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子，该相位乘积呈现出+1和-1交替出现的情况。对+1和-1赋值不同颜色，通过相位乘积成像可以快速识别单个金属纳米粒子：对于单个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现单色分布；对于多个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现双色混合分布。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过电光调制晶体周期性改变两束飞秒激光的相对相位，实现激光自干涉光强和金属纳米粒子多光子荧光的周期性调制。通过提取激光调制相位和多光子荧光调制相位，获得相位乘积，通过逐点扫描获得相位乘积成像，基于相位乘积成像的单值与双值，识别单个金属纳米粒子。相比于传统暗场成像与荧光成像，本发明不需要突破衍射极限，就可以识别单个金属纳米粒子。相比于扫描电子显微镜与原子力显微镜等表征方法，本发明不需要特别制备样品(如制备在铜网上，或者导电良好的基底上)；不需要在真空条件下测量；可以实现原位无损探测，探测后的样品可以继续开展其他测量或者应用。
附图说明
图1为本发明基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别装置的结构示意图。
图2为激光自干涉光强及金属纳米粒子多光子荧光强度随调制时间的变化曲线Ⅰ；其中，图2a为激光自干涉光强随调制时间的变化曲线Ⅰ，其调制相位
图2b为一个金属纳米粒子多光子荧光强度随调制时间的变化曲线Ⅰ，其调制相位
在此情况下，相位乘积为-1。
图3为激光自干涉强度及金属纳米粒子多光子荧光强度随调制时间的变化曲线Ⅱ，其中，图3a为激光自干涉强度随调制时间的变化曲线Ⅱ，其调制相位
图3b为一个金属纳米粒子多光子荧光强度随调制时间的变化曲线Ⅱ，其调制相位
在此情况下，相位乘积为1。
图4为单个金纳米粒子的相位乘积成像及扫描电子显微成像表征图，其中，图4a为单个金纳米粒子的相位乘积成像；图4b为对应单个金纳粒子的扫描电子显微成像表征图。
图5为两个金纳米粒子的相位乘积成像及扫描电子显微成像表征图，其中图5a为两个金纳米粒子的相位乘积成像；图5b为对应两个金纳粒子的扫描电子显微成像表征图。
图中，101-飞秒激光双光束制备系统、105-飞秒激光器、106-起偏器、107-反射镜、108-等比分束镜、109-透射激光、110-第一角隅棱镜式反射镜、111-反射激光、112-第二角隅棱镜式反射镜、113-电光调制晶体、114-电光调制晶体控制器、115-合束激光；102-激光自干涉光强探测系统、116-不等比分束镜、117-高速光电探测器；103-多光子荧光激发与收集系统、118-短通滤色片、119-物镜、120-被测金属纳米粒子样品、121-二维位移台、122-二维位移台控制器、123-多光子荧光、124-第一透镜、125-针孔、126-第二透镜、127-单光子探测器；104-数据提取与处理系统、128-电脑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本实施例中的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别装置，它包括飞秒激光双光束制备系统101、激光自干涉光强探测系统102、多光子荧光激发与收集系统103、数据提取与处理系统104四个部分；
所述飞秒激光双光束制备系统101包括飞秒激光器105、起偏器106、反射镜107、等比分束镜108、第一角隅棱镜式反射镜110、第二角隅棱镜式反射镜112、电光调制晶体113和电光调制晶体控制器114；
所述飞秒激光器105用于激发金属纳米粒子产生多光子荧光，所述飞秒激光器105的中心波长和脉冲宽度根据被测金属纳米粒子样品120的光学特性进行选择。本实施例中使用中心波长为800nm，脉冲宽度为15fs，重复频率为80MHz的飞秒激光。
所述起偏器106设在飞秒激光器105的出射光路上，用于产生水平偏振的激光。所述反射镜107设在起偏器106的出射光路上，用于改变激光的传播方向。
所述等比分束镜108设在反射镜107的反射光路上，并形成光强相等的透射激光109和反射激光111；所述第一角隅棱镜式反射镜110位于透射激光109的光路上；所述电光调制晶体113和第二角隅棱镜式反射镜112依次位于反射激光111的光路上；透射激光109和反射激光111分别进入两个角隅棱镜式反射镜110和112经其反射后再次回到等比分束镜108，并在等比分束镜108处进行合束，形成合束激光115；
所述电光调制晶体控制器114用于对电光调制晶体113施加具有特定波形和周期的电压，改变透射激光109和反射激光111的相对相位
周期性调节相对相位
可以实现激光自干涉光强和金属纳米粒子多光子荧光的周期性调制。在实施例中使用的电压波形为锯齿波，调制周期为1ms，调制频率f＝0.5Hz。
所述激光自干涉光强探测系统102包括不等比分束镜116和高速光电探测器117；所述不等比分束镜116设在合束激光115的入射光路上，所述高速光电探测器117设在不等比分束镜116的反射光路上；不等比分束镜116对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中10％的光强反射进入高速光电探测器117，90％的光强透射进入短通滤色片118。
所述多光子荧光激发与收集系统103包括短通滤色片118、物镜119、被测金属纳米粒子样品120、二维位移台121、二维位移台控制器122和单光子探测器127；
所述短通滤色片118设在不等比分束镜116的透射光路上，所述短通滤色片118需要根据飞秒激光中心波长和金属纳米粒子多光子荧光中心波长而改变。本实施例中选择了商用700nm短通滤色片；该滤色片对于720nm以上激光的反射率大于99％；对于698nm以下的多光子荧光透射率大于99％。
所述物镜119设在短通滤色片118的反射光路上，用于聚焦激光。本实施例选择放大倍数为100倍，数值孔径为0.9的物镜。
所述被测金属纳米粒子样品120设在二维位移台121上，所述金属纳米粒子样品120，既可以是旋涂在基片上的裸金属纳米粒子，也可以是标记在生物体如细胞中的金属纳米粒子。本实施例中选择了直径为20nm的金纳米粒子；并旋涂在硅片上。
所述二维位移台121设在物镜119的出射光路上，所述二维位移台控制器122的信号输出端与二维位移台121的信号输入端连接；所述二维位移台121用于移动被测金属纳米粒子样品120，实现逐点共聚焦扫描成像。扫描参数由电脑输出，经二维位移台控制器122传输给二维位移台121。
所述合束激光115经短通滤色片118反射，被物镜119聚焦，激发被测金属纳米粒子样品120产生的多光子荧光123再次进入物镜119及短通滤色片118，然后进入空间滤波器滤波后被单光子探测器127探测，并将探测信号传输至电脑128；
所述空间滤波器由第一透镜124、针孔125和第二透镜126组成，所述第一透镜124、针孔125和第二透镜126依次设置在多光子荧光123的光路上。所述两个透镜焦长和针孔尺寸需根据所使用激光波长等特性进行调节。本实施例中，两个透镜124和125的焦长为10cm，针孔尺寸为100μm。
所述数据提取与处理系统104包括电脑128及设置在电脑128中的数据处理程序，所述电脑128的信号输入端分别与飞秒激光器105、高速光电探测器117以及单光子探测器127的信号输出端连接；所述电脑128的信号输出端与二维位移台控制器122的信号输入端连接。
本实施例中基于上述单粒子快速识别装置的识别方法，包括以下步骤：
1)飞秒激光双光束的制备：飞秒激光器105产生的激光依次经起偏器106、反射镜107及等比分束镜108，形成光强完全相等的透射激光109和反射激光111；透射激光109和反射激光111分别进入两个角隅棱镜式反射镜110和112经其反射后再次回到等比分束镜108，并在等比分束镜108处进行合束，形成合束激光115；电光调制晶体控制器114对电光调制晶体113施加具有特定波形和周期的电压，改变两束激光的相对相位
周期性调节相对相位
实现激光自干涉光强和金属纳米粒子多光子荧光的周期性调制；
2)激光自干涉光强的探测：合束激光115经不等比分束镜116分束，10％的激光光强进入高速光电探测器117探测，探测信号进入电脑128；
3)多光子荧光的激发与收集：合束激光115经不等比分束镜116分束，90％的激光光强进入短通滤色片118，经短通滤色片118反射，被物镜119聚焦，激发被测金属纳米粒子样品120产生多光子荧光123；多光子荧光123穿过物镜119和短通滤色片118后，被空间滤波器滤波后被单光子探测器127探测，并将探测信号传输至电脑128；
4)数据提取与处理，具体处理过程包括：
a)选定电光调制晶体控制器114的运行频率f与积分时间T；
b)记录积分时间T内，高速光电探测器117所收集到的激光自干涉光强随调制时间的变化曲线，如图2a和图3a所示，提取激光调制相位
根据公式(一)对激光调制相位
进行二值化处理，即：
如图2a中激光自干涉调制相位
图3a中激光自干涉调制相位
c)记录积分时间T内，单光子探测器127所收集到的多光子荧光信号随调制时间的变化曲线，如图2b和3b所示，提取多光子荧光调制相位
根据公式(二)对调制相位
进行二值化处理，即：
如图2b中多光子荧光调制相位
图3b中多光子荧光调制相位
d)根据公式(三)计算激光调制相位
与多光子荧光调制相位
的乘积，即相位乘积
所述相位乘积
的计算结果为+1或者-1，如图2所示，图中的计算结果为-1。如图3所示，图中的计算结果为+1。将+1设为黑色，将-1设为白色。
e)扫描样品，以
为物理量进行成像，即获得相位乘积成像，即可实现单粒子的快速识别。
当激光聚焦区域内仅有一个金属纳米粒子时，相位乘积
只呈现出+1或者-1；当激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子时，相位乘积
呈现出+1和-1交替出现的情况；对+1和-1赋值不同颜色，通过相位乘积成像可以快速识别单个金属纳米粒子：对于单个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现单色分布；对于多个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现双色混合分布。
如图4和图5所示，图4a给出了一种金纳米粒子的相位乘积成像，成像颜色单一，说明是单个金属纳米粒子。为了说明激光聚焦区域内只有一个金属纳米粒子，我们使用高分辨的扫描电子显微镜表征了该区域金属纳米粒子的形貌，如图4b所示。从图中可以看出，该区域只有一个金纳米粒子。
图5b给出了一种金纳米粒子的相位乘积成像，呈现多色混合结果，说明有多个金属纳米粒子被激发。为了说明激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子，我们使用高分辨扫描电子显微镜表征了该区域金属纳米粒子的形貌，如图5b所示。从图中可以看出，该区域只有二个金纳米粒子。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)飞秒激光双光束的制备：飞秒激光器(105)产生的激光依次经起偏器(106)、反射镜(107)及等比分束镜(108)，形成光强完全相等的透射激光(109)和反射激光(111)；透射激光(109)和反射激光(111)分别进入两个角隅棱镜式反射镜(110和112)经其反射后再次回到等比分束镜(108)，并在等比分束镜(108)处进行合束，形成合束激光(115)；电光调制晶体控制器(114)对电光调制晶体(113)施加具有特定波形和周期的电压，改变两束激光的相对相位
周期性调节相对相位
实现激光自干涉光强和金属纳米粒子多光子荧光的周期性调制；
2)激光自干涉光强的探测：合束激光(115)经不等比分束镜(116)分束，10％的激光光强进入高速光电探测器(117)探测，探测信号进入电脑(128)；
3)多光子荧光的激发与收集：合束激光(115)经不等比分束镜(116)分束，90％的激光光强进入短通滤色片(118)，经短通滤色片(118)反射，被物镜(119)聚焦，激发被测金属纳米粒子样品(120)产生多光子荧光(123)；多光子荧光(123)穿过物镜(119)和短通滤色片(118)后，被空间滤波器滤波后被单光子探测器(127)探测，并将探测信号传输至电脑(128)；
4)数据提取与处理，具体处理过程包括：
a)选定电光调制晶体控制器(114)的运行频率f与积分时间T；
b)记录积分时间T内，高速光电探测器(117)所收集到的激光自干涉光强随调制时间的变化曲线，提取激光调制相位
根据公式(一)对激光调制相位
进行二值化处理，即：
c)记录积分时间T内，单光子探测器(127)所收集到的多光子荧光信号随调制时间的变化曲线，提取多光子荧光调制相位
根据公式(二)对调制相位
进行二值化处理，即：
d)根据公式(三)计算激光调制相位
与多光子荧光调制相位
的乘积，即相位乘积
所述相位乘积
的计算结果为+1或者-1；
e)扫描样品，以
为物理量进行成像，获得相位乘积成像，即可实现单粒子的快速识别；
当激光聚焦区域内仅有一个金属纳米粒子时，相位乘积
只呈现出+1或者-1；当激光聚焦区域内有多个金属纳米粒子时，相位乘积
呈现出+1和-1交替出现的情况；对+1和-1赋值不同颜色，通过相位乘积成像可以快速识别单个金属纳米粒子：对于单个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现单色分布；对于多个金属纳米粒子，相位乘积成像呈现双色混合分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述飞秒激光器(105)的中心波长和脉冲宽度根据被测金属纳米粒子样品(120)的光学特性进行选择。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述飞秒激光器(105)的中心波长为800nm，脉冲宽度为15fs，重复频率为80MHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述电光调制晶体控制器(114)对电光调制晶体(113)施加的电压波形为锯齿波，调制周期为1ms，调制频率f＝0.5Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述空间滤波器由第一透镜(124)、针孔(125)和第二透镜(126)组成，所述第一透镜(124)、针孔(125)和第二透镜(126)依次设置在多光子荧光(123)的光路上。
6.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述不等比分束镜(116)对飞秒激光光强的分配比例为1：9，其中10％的光强反射进入高速光电探测器(117)，90％的光强透射进入短通滤色片(118)。
7.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光调制相位的单粒子快速识别方法，其特征在于：所述被测金属纳米粒子样品(120)为旋涂在基片上的裸金属纳米粒子或标记在生物体中的金属纳米粒子。
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