CN116223465A - 等离子体显微成像系统 - Google Patents

等离子体显微成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种等离子体显微成像系统，包括照明装置、金属薄膜组件、样品扫描台、显微成像装置和探测装置。本发明通过涡旋圆偏振光激发金属薄膜上的等离子体，使表面等离子体中心汇聚，获得亚衍射极限的激发光斑，实现超分辨光学成像。本发明的等离子体显微成像系统采用单束光照明，光路简单；通过样品台放置样品，无需金属纳米结构，样品制备简单；并且，该等离子体显微成像系统具有表面等离子增强效应，灵敏度好于一般的光学系统，可达到单分子探测水平；该等离子体显微成像系统对荧光染料和样品没有任何限制，系统可用于荧光信号成像、拉曼信号成像以及其它光学散射信号成像等。

Description

等离子体显微成像系统
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，尤其涉及一种等离子体显微成像系统。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
当今生命科学中的显微成像研究大约80％仍然使用光学显微镜，可以说生命科学的进步伴随着光学显微镜的发展。然而由于光学衍射极限的存在，使得光学显微镜的空间分辨率被限制在半个波长左右，这样的分辨率严重阻碍了生物学家们对亚细胞结构的精细研究。为此，人们先后发展了各种超分辨光学显微成像技术，例如受激辐射耗尽显微镜(Stimulated emission depletion STED)、结构光照明显微镜(Structured illuminationmicroscope SIM)、近场扫描显微镜(Scanning near-field optical microscopy SNOM)、光激活定位显微镜(Photo-activated localization microscope PALM)和随机光学重构显微术(Stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)、探针增强拉曼(Tipenhanced Raman spectroscopy TERS)等。它们在光学成像方面都各具优缺点，如STED可实现极高的光学分辨，但是需要极高的损耗光强度，容易导致荧光染料的光漂白，并且光路复杂度高，对操作人员有较高的要求。PALM和STORM有很高的空间分辨率，但是荧光染料必须具有光激活性质以及后期需要复杂的数据处理。SIM则需要复杂的光路系统和数据后期处理。而SNOM和TERS需要探针与光路的高度协同，操作复杂。而且SNOM光纤探针传递激发光的效率不高，这大大限制了检测的灵敏度，TERS的探针和样品在高度汇聚的强光下极易烧毁。这都不利于这类技术的广泛应用与非相关专业人士的操控。
使用光场激发等离子体传播，利用等离子体的等效波长较短的性质，实现超分辨光学成像。为了对等离子传播方向进行控制，通常需要特殊设计的金属纳米结构，如纳米孔、纳米球、纳米沟甚至纳米阵列等，这使得样品制备格外复杂，且只能适用于特定的波长。
发明内容
本发明的目的是至少解决现有的等离子体显微镜的分辨率较为局限且样品制备复杂的技术问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提出了一种等离子体显微成像系统，包括：
照明装置，用于产生涡旋圆偏振光；
金属薄膜组件，包括金属薄膜和基底，所述金属薄膜的一面贴设于所述基底；
样品扫描台，所述样品扫描台用于放置样品，并实现样品成像扫描；
显微成像装置，用于将所述涡旋圆偏振光汇聚成空壳型的激发光斑，所述激发光斑激发所述金属薄膜的等离子体形成亚衍射极限的等离子体激发光斑，所述等离子体激发光斑用于激发所述样品扫描台上的样品并发射信号光；
探测装置，用于滤除激发光，并将所述信号光汇聚成像。
本发明通过涡旋圆偏振光激发金属薄膜上的等离子体，使表面等离子体中心汇聚，获得亚衍射极限的激发光斑，实现超分辨光学成像。本发明的等离子体显微成像系统采用单束光照明，光路简单；通过样品台放置样品，无需金属纳米结构，样品制备简单；并且，该等离子体显微成像系统具有表面等离子增强效应，灵敏度好于一般的光学系统，可达到单分子探测水平；该等离子体显微成像系统对荧光染料和样品没有任何限制，系统可用于荧光信号成像、拉曼信号成像以及其它光学散射信号成像等。
另外，根据本发明的等离子体显微成像系统，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述照明装置包含沿光路依次设置的激发激光器、偏振片、波片和位相板，所述激发激光器产生预设波长的激光，所述偏振片将所述激发激光器发出的激光调制为偏振光，所述波片将所述偏振光调制为圆偏振光，所述位相板将所述圆偏振光调制为涡旋圆偏振光。
在本发明的一些实施例中，所述偏振光为线性偏振光。
在本发明的一些实施例中，所述波片为四分之一波片。
在本发明的一些实施例中，所述显微成像装置包括沿光路依次设置的激发物镜，所述激发物镜接收所述照明装置射出的所述涡旋圆偏振光，并且汇聚所述涡旋圆偏振光在所述金属薄膜上形成所述激发光斑，所述空壳型光斑在所述金属薄膜的表面激发中心汇聚的表面等离子体，并产生亚衍射极限的所述等离子体激发光斑。
在本发明的一些实施例中，所述显微成像装置还包括反射镜，所述反射镜设置在所述照明装置和所述激发物镜之间的光路上，所述反射镜用于将所述照明装置发出的所述涡旋圆偏振光反射至所述激发物镜。
在本发明的一些实施例中，所述样品扫描台包括样品承载装置和位置调节装置，所述样品承载装置用于放置所述样品，所述位置调节装置与所述样品承载装置连接，所述位置调节装置能够调节所述样品承载装置的位置，以调节所述样品的被扫描位置。
在本发明的一些实施例中，所述探测装置包括沿光路依次设置的滤光片、收集透镜和成像相机，所述滤光片能够将所述激发光滤除，所述收集透镜能够将所述信号光汇聚在成像相机上并形成激发焦斑的像，所述成像相机将所述信号光所成的激发焦斑的像转换为电信号。
在本发明的一些实施例中，所述成像相机包括光电探测器和上位机，所述光电探测器用于采集所述收集透镜的汇聚信号光，并将采集到的光信号发送给所述上位机，所述上位机用于根据所述光信号，生成与所述样品对应的显微图像。
在本发明的一些实施例中，所述金属薄膜的材质为贵金属，所述金属薄膜以镀膜的方式设置在所述基底上。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的等离子体显微成像系统的结构示意图；
图2示意性地示出了根据本发明实施方式的等离子体显微成像系统对40纳米直径荧光颗粒的成像图；
图3为本发明实施例提供的等离子体显微成像系统对海拉细胞中微管的荧光成像图；
图4为本发明实施例提供的等离子体显微成像系统对纳米管的拉曼散射成像图。
附图标记如下：
10：照明装置、11：激发激光器、12：偏振片、13：波片、14：位相板；
20：显微成像装置、21：反射镜、22：激发物镜、23：金属薄膜；
30：探测装置、31：滤光片、32：收集透镜、33：成像相机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1所示，本发明提出了一种等离子体显微成像系统，包括：
照明装置10，用于产生涡旋圆偏振光；
金属薄膜组件，包括金属薄膜23和基底，金属薄膜23的一面贴设于基底；
样品扫描台(图中未示出)，样品扫描台用于放置样品，并实现样品成像扫描；
显微成像装置20，用于将涡旋圆偏振光汇聚成空壳型的激发光斑，激发光斑激发金属薄膜23的等离子体形成亚衍射极限的等离子体激发光斑，等离子体激发光斑激发样品扫描台上的样品发射信号光；
探测装置30，用于滤除激发光，并将信号光汇聚成像。
可以理解的是，照明装置10可包含激光器11，用于产生激发光，再通过沿激发光的光路设置的偏振片12、波片13和位相板14，将激发光转换为圆偏振光，最后转换成涡旋圆偏振光。偏振片12是一种光学基础元件，它的功能是将任意偏振态的入射光转变为线偏振光。线偏振光是指在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，光矢量端点的轨迹为一直线。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面。线偏振光的振动面固定不动，不会发生旋转。绝大多数光源都不发射线偏振光而发射自然光，需要经过偏振片12获得线偏振光。圆偏振光是指旋转电矢量端点描出圆轨迹的光，当传播方向相同，振动方向相互垂直且相位差恒定为φ＝(2m±1/2)π的两平面偏振光叠加后可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。圆偏振光的电矢量大小保持不变，而方向随时间均匀变化。位相板14能够生成涡旋光，在利用位相板14生成涡旋光时，前面须放置线偏振片12和1/4波片13，以确保入射到位相板14上的为圆偏振光。
显微成像装置20可通过设置激发物镜22将涡旋圆偏振光汇聚在焦平面上形成空壳型光斑，激发物镜22的倍率、波长范围、工作距离以及数值孔径可根据实际需要进行设置。上述焦平面设置在金属薄膜23的表面以激发中心汇聚的表面等离子体，产生亚衍射极限的等离子体激发光斑。利用表面等离子体共振时金属表面近场区域产生的表面等离子体波与待测样品的相互作用，通过探测发射光波信息即可以实现样品相关待测物理参量的高精度解调。
本发明通过涡旋圆偏振光激发等离子体，实现表面等离子体的中心汇聚，获得亚衍射极限的激发光斑，实现超分辨光学成像。本发明的等离子体显微成像系统采用单束光照明，光路简单；通过样品台放置样品，无需金属纳米结构，样品制备简单；并且，该等离子体显微成像系统具有表面等离子增强效应，灵敏度好于一般的光学系统，可达到单分子探测水平；该等离子体显微成像系统对荧光染料和样品没有任何限制，系统可用于荧光信号成像、拉曼信号成像以及其它光学散射信号成像等。
图2的左侧图像示出了本发明实施例提供的漩涡圆偏振光激发的表面等离子体超分辨显微成像系统对40纳米直径荧光颗粒的成像图，可以近似看做本发明实施例显微镜的点扩展函数，从图2右侧的轮廓图可以看出点扩展函数主极大的直径为120nm，突破了532纳米激发光的光学衍射极限。
图3的左侧图像示出了本发明实施例提供的漩涡圆偏振光激发的表面等离子体超分辨显微成像系统对Hela细胞(海拉细胞，一种宫颈癌细胞)中微管的荧光成像图，从图3右边的轮廓图可以看出微管的直径大约为170nm，突破了532纳米激发光的光学衍射极限。
图4的左侧图像示出了本发明实施例提供的漩涡圆偏振光激发的表面等离子体超分辨显微成像系统对纳米管的拉曼散射成像图，从图4右边的轮廓图可以看出两间距为160纳米的碳纳米管可以清晰分辨，突破了532纳米的光学衍射极限。
在本发明的一些实施例中，照明装置10包含沿光路依次设置的激发激光器11、偏振片12、波片13和位相板14，激发激光器11产生预设波长的激光，偏振片12将激发激光器11发出的激光调制为偏振光，波片13将偏振光调制为圆偏振光，位相板14将圆偏振光调制为涡旋圆偏振光。
在本发明的一些实施例中，偏振光为线性偏振光。线偏振光是光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变的偏振光。
在本发明的一些实施例中，波片13为四分之一波片。四分之一波片在光路中常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光，一定波长的光垂直入射通过四分之一波片13时，使入射的线偏振光出射为圆偏振光或椭圆偏振光。
在本发明的一些实施例中，显微成像装置20包括沿光路依次设置的激发物镜22，激发物镜22接收照明装置10射出的涡旋圆偏振光，并且汇聚涡旋圆偏振光在金属薄膜23上形成空壳型光斑，空壳型光斑在金属薄膜23的表面激发中心汇聚的表面等离子体，并产生亚衍射极限的等离子体激发光斑。
在本发明的一些实施例中，显微成像装置20还包括反射镜21，反射镜21设置在照明装置10和激发物镜22之间的光路上，反射镜21用于将照明装置10发出的涡旋圆偏振光反射至激发物镜22。通过设置反光镜，可调节光路的走向和角度，使得显微成像装置20的适应性更好。
在本发明的一些实施例中，样品扫描台包括样品承载装置和位置调节装置，样品承载装置用于放置样品，位置调节装置与样品承载装置连接，位置调节装置能够调节样品承载装置的位置，以调节样品的被扫描位置。
具体地，样品承载装置可根据样品的类型设置样品台的结构，具体不再限定，样品调节装置具有移动调节能力，具体可通过线性位移机构实现方向调节，在样品扫描中，通过电脑控制位置调节装置将焦点沿样品移动扫描，实现对样品的完整扫描探测。
在本发明的一些实施例中，探测装置30包括沿光路依次设置的滤光片31、收集透镜32和成像相机33，滤光片31能够将激发光滤除，收集透镜32能够将信号光汇聚在成像相机33上生成激发焦斑的像，成像相机33将信号光所成的激发焦斑的像转换为电信号。
可以理解的是，滤波片13配置成过滤激发光的形式，以将多余的激发光滤除，避免激发光影响后续光电探测器接收信号光。收集透镜32可将信号光汇聚在成像相机33上，以便于成像相机33接收光信号。
在本发明的一些实施例中，成像相机33包括光电探测器和上位机，光电探测器用于采集收集透镜32的汇聚信号光，并将采集到的光信号转换为电信号并发送给上位机，上位机用于根据电信号，生成与样品对应的显微图像。
具体地，光电探测器可以是CCD(Charge Coupled Device)图像传感器，利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，或者CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器，具体根据实际需要进行设置。上位机可采用计算机，通过计算机接收光电探测器的电信号，将电信号转换成可视图形或图表。
在本发明的一些实施例中，金属薄膜23的材质为金或者银，金属薄膜23以镀膜的方式设置在基底上。
基底为普通玻璃或塑料基片中的一种，将基底设置成载玻片，在载玻片上蒸镀一层厚度为纳米级的金或银金属薄膜23。
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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种等离子体显微成像系统，其特征在于，包括：
照明装置，用于产生涡旋圆偏振光；
金属薄膜组件，包括金属薄膜和基底，所述金属薄膜的一面贴设于所述基底表面；
样品扫描台，所述样品扫描台用于放置样品，并实现样品成像扫描；
显微成像装置，用于将所述涡旋圆偏振光汇聚成空壳型的激发光斑，所述激发光斑激发所述金属薄膜的等离子体形成亚衍射极限的等离子体激发光斑，所述等离子体激发光斑用于激发所述样品扫描台上的样品并发射信号光；
探测装置，用于滤除激发光，并将所述信号光汇聚成像。
2.根据权利要求1所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述照明装置包含沿光路依次设置的激发激光器、偏振片、波片和位相板，所述激发激光器产生预设波长的激光，所述偏振片将所述激发激光器发出的激光调制为偏振光，所述波片将所述偏振光调制为圆偏振光，所述位相板将所述圆偏振光调制为涡旋圆偏振光。
3.根据权利要求2所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述偏振光为线性偏振光。
4.根据权利要求2所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述波片为四分之一波片。
5.根据权利要求1所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述显微成像装置包括沿光路依次设置的激发物镜，所述激发物镜接收所述照明装置射出的所述涡旋圆偏振光，并且汇聚所述涡旋圆偏振光在所述金属薄膜上形成所述激发光斑，所述空壳型光斑在所述金属薄膜的表面激发中心汇聚的表面等离子体，并产生亚衍射极限的所述等离子体激发光斑。
6.根据权利要求5所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述显微成像装置还包括反射镜，所述反射镜设置在所述照明装置和所述激发物镜之间的光路上，所述反射镜用于将所述照明装置发出的所述涡旋圆偏振光反射至所述激发物镜。
7.根据权利要求5所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述样品扫描台包括样品承载装置和位置调节装置，所述样品承载装置用于放置所述样品，所述位置调节装置与所述样品承载装置连接，所述位置调节装置能够调节所述样品承载装置的位置，以调节所述样品的被扫描位置。
8.根据权利要求1所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述探测装置包括沿光路依次设置的滤光片、收集透镜和成像相机，所述滤光片能够将所述激发光滤除，所述收集透镜能够将所述信号光汇聚在成像相机上并形成激发焦斑的像，所述成像相机将所述信号光所成的激发焦斑的像转换为电信号。
9.根据权利要求8所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述成像相机包括光电探测器和上位机，所述光电探测器用于采集所述收集透镜的汇聚信号光，并将采集到的光信号发送给所述上位机，所述上位机用于根据所述光信号，生成与所述样品对应的显微图像。
10.根据权利要求1至9任一项所述的等离子体显微成像系统，其特征在于，所述金属薄膜的材质为贵金属，所述金属薄膜以镀膜的方式设置在所述基底上。
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