CN117269001A - 基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法，其装置包括连续光激光器、多个光学透镜、光学四分之一波片、光学分束器、物镜、超表面载玻片、样品台、光学反射镜和成像相机。连续光激光器发射的线偏振光首先经透镜组扩束，随后通过四分之一波片转变为圆偏振光，并经光学透镜聚焦于物镜后焦面上，通过物镜的光束以宽场形式照射到超表面载玻片上，与纳米颗粒发生相互作用。利用成像相机对纳米颗粒的散射光和超表面载玻片的直接反射光进行收集，经图像处理去除背景后即可实现对纳米颗粒的干涉散射成像。本发明基于周期孔洞超表面载玻片的电场局域增强能力，可以显著增强纳米颗粒的散射光信号，提高成像对比度，解决传统干涉散射显微镜小颗粒检测能力有限的问题，提升了系统的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米颗粒的光学检测与成像技术领域，具体地说，涉及一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法。
背景技术
了解微观世界，实现对纳米尺度单分子和颗粒物的检测追踪一直以来都是全人类的共同追求，对生物医学、材料学、物理学等领域有着重要的支撑和推动作用。然而，受到衍射极限的限制，传统光学显微镜的检测能力相对有限，最小只能达到200nm左右。此外，电子显微镜和原子力显微镜等显微技术尽管具有更加灵敏的检测能力，但是却存在诸如通量低、制样复杂、成本高昂等局限性，在很多场景中并不适用。因此，开发具有更高灵敏度的纳米颗粒检测追踪技术就显得十分必要，对生物医学和物理学等领域的发展有着重要意义。
有鉴于此，近些年人们提出了几种具有突破衍射极限检测能力的显微成像技术。其中，荧光显微技术由于具有抑制背景信号、突破衍射极限的成像分辨率和高通量成像等优势，被广泛应用于纳米颗粒检测追踪研究中。但是该技术是一种有标记的成像技术，会对观测样品本身造成影响，并且其成像性能还受到荧光漂白、荧光饱和及荧光闪烁等现象的限制。相比于荧光显微技术，基于瑞利散射的暗场显微技术通过抑制背景光的方式提高颗粒散射光的信号对比度，无需标记即可实现对纳米尺度小颗粒的检测。然而，依据瑞利散射的基本原理，纳米颗粒的散射光强与颗粒直径的6次方成正比，因此暗场显微技术的成像对比度会随着颗粒尺寸减小而迅速降低，在所能检测的最小颗粒尺寸上存在较大限制。
为了解决荧光显微镜和暗场显微镜在纳米颗粒检测追踪领域的局限性，人们进一步提出了干涉散射显微成像技术(iSCAT)。在原理上，该技术仍然基于纳米颗粒的瑞利散射信号进行成像，因此是一种无需标记的显微成像技术。与同样具有无标记特性的暗场显微技术相比，干涉散射显微技术主要对纳米颗粒散射光与背景光的干涉项进行成像，其信号强度与颗粒直径的3次方成正比关系。因此，对于直径较小的纳米颗粒，该技术探测到的信号将会显著强于暗场显微技术，在所能检测的最小颗粒尺寸上具有明显优势。尽管如此，由于背景光较强和纳米颗粒散射光较弱等原因，目前干涉散射显微技术能够检测的最小颗粒尺寸仍然是有限的，无法满足生物医学和物理学等领域研究的实际需求。因此，如何进一步增强纳米颗粒的散射光强，抑制参考光强，从而提升干涉散射显微成像的灵敏度就显得十分必要。在国际上，有人将由一维光栅构成的载玻片引入透射式干涉散射显微镜中，实现了对纳米颗粒散射光强的增强，并进而实现了对干涉散射显微成像对比度的增强效果。然而，一维光栅所具有的偏振依赖和高度不均匀的局域电场增强特性，使得只有特定位置纳米颗粒的成像效果能够得到增强。同时，显微镜对入射光偏振也有着明确的要求，在使用的灵活性上具有一定局限性。此外，该显微镜为透射式结构，因此其成像结果对纳米颗粒在照明光传播方向上的位置是不敏感的，无法实现对纳米颗粒的三维追踪。
发明内容
本发明要克服现有技术的不足，提供一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法。基于超表面载玻片的局域电场增强和抗反射作用，在增强纳米颗粒散射光强度的同时，抑制背景反射光强，实现对纳米颗粒的高灵敏度检测。
为了实现上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，如图1所示，包括光源模块、照明光路、超表面载玻片8以及成像模块。其中光源模块产生圆偏振连续激光，经照明光路后以宽场形式与纳米颗粒发生相互作用，纳米颗粒经超表面载玻片增强后的散射光与直接反射光经物镜7收集后通过成像模块实现干涉成像。通过对采集到的图像进行算法处理，得到纳米颗粒的干涉散射显微成像结果。
其中，所述光源模块包括：连续光激光器1、扩束透镜组以及光学四分之一波片4，其中扩束透镜组包括第一透镜2和第二透镜3。其中，连续激光器1用于产生线偏振连续激光，透镜2和透镜3对连续激光进行扩束，光学四分之一波片4将线偏振激光转变为圆偏振连续激光。
其中，所述照明光路包括：聚焦透镜5、光学分束器6以及物镜7。其中，透镜5和光束分束器6结合，将光源模块产生的圆偏振连续激光聚焦于物镜7后焦面上，物镜7对聚焦光束进行准直，从而实现对超表面载玻片8的宽场照明效果，照明光与纳米颗粒发生相互作用。
其中，超表面载玻片8与传统石英载玻片具有显著区别，如图2所示，超表面载玻片8由石英基底81和周期性排布的圆孔结构层82构成。其中，圆孔结构层82的厚度h远小于照明波长λ，结构周期p和圆孔直径r均具有亚波长特征。通过修改结构层82的上述参数，可以对超表面载玻片的作用波长进行调整，以匹配不同波长的照明光。该超表面载玻片8具有局域电场增强的特性，能够显著增强其表面纳米颗粒的散射光强度，同时降低背景信号强度，最终提升系统的灵敏度。
其中，所述成像模块包括：光学反射镜9、成像透镜10和成像相机11。物镜7用于收集增强后的纳米颗粒散射光和超表面载玻片8的直接反射光，分束器6、反射镜9将收集到的光束导入成像光路，成像透镜10将纳米颗粒图像成于相机11的焦面上。相机采集到的图像经算法处理后，即可获得纳米颗粒的干涉散射成像结果。
本发明还涉及一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，包括如下步骤：
S1：连续光激光器产生的线偏振激光经透镜组(第一透镜2和第二透镜3)扩束后再经四分之一波片4转变为圆偏振连续激光。
S2：圆偏振连续激光经透镜5和分束器6后聚焦于物镜7的后焦面上，被物镜7准直后以宽场形式照射到超表面载玻片8表面，与纳米颗粒发生相互作用。
S3：增强后的纳米颗粒散射光和超表面载玻片8直接反射光经物镜7收集后，在依次经过分束器6，反射镜9以及透镜10成像于相机11的焦面上，并被相机11所采集到。
S4：通过后期算法对采集到的图像进行去背景处理，得到纳米颗粒的散射干涉成像结果。
其中，该方法以各向同性圆偏振连续光作为照明光源，排除了照明光源本身各向异性对成像效果的干扰。
其中，该方法采用超表面载玻片8替换了传统石英载玻片，利用超表面支持的电磁谐振模式，在圆孔内实现对电场的局域增强效果，增强照明光与纳米颗粒之间的相互作用，显著提高散射光的强度。
其中，相比于传统石英载玻片，该方法所用的超表面载玻片8在增强散射光强外，还可以降低背景参考光的强度，进一步提高纳米颗粒的成像对比度。
其中，该方法采用高数值孔径的油镜作为物镜，增加对纳米颗粒散射光的收集能力，避免能量损失。
相比于其他超表面结构,所述周期孔洞超表面的响应特性更适用于增强干涉散射显微成像的灵敏度，其独特性在于：
(1)该结构具有局域电场增强的特性，能够显著增强孔洞中纳米颗粒的散射光强度。
(2)该结构在工作波长处具有增透效果，能够降低界面处的反射背景信号，从而进一步提高纳米颗粒散射光的对比度。
(3)该结构的响应具有各向同性的特点，在任意偏振下均能表现出(1)(2)所述的功能，对入射光偏振不会加以限制，在使用上更为灵活。
(4)该结构的电场增强效果比较均匀，并不会局域在很小的体积内，而是在整个圆孔范围内都有着明显的增强效果，因此结构对位于圆孔内的的纳米颗粒，均具有散射光增强的效果。
基于周期孔洞超表面载玻片具有的上述特性，能够显著增强其表面圆孔内纳米颗粒的散射光强度，同时降低参考信号强度，最终提升干涉散射显微系统的探测灵敏度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过引入周期孔洞超表面载玻片，一方面可以增强样品纳米颗粒的散射光强度，另一方面还可以降低背景参考光的强度，两者共同结合显著提高干涉散射显微镜的灵敏度，实现对更小尺寸纳米颗粒的检测和追踪。本发明可为生物医药、材料学和物理学等领域的研究提供理想的实验条件。
本发明基于周期孔洞超表面载玻片的电场局域增强能力，可以显著增强纳米颗粒的散射光信号，提高成像对比度，解决传统干涉散射显微镜小颗粒检测能力有限的问题，提升了系统的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的系统的结构示意图。
图2a为本发明中周期孔洞超表面载玻片的结构示意图，图2b是周期孔洞超表面载玻片的俯视图。
图3为实施例1中周期孔洞超表面载玻片和石英载玻片的能量反射率谱线结果图。
图4为实施例1中周期孔洞超表面载玻片的局域能量增强结果图。
图5为实施例2中周期孔洞超表面载玻片和石英载玻片的能量反射率谱线结果图。
图6为实施例2中周期孔洞超表面载玻片的局域能量增强结果图。
图7为实施例3中周期孔洞超表面载玻片和石英载玻片的能量反射率谱线结果图。
图8为实施例3中周期孔洞超表面载玻片的局域能量增强结果图。
附图标记说明
1-连续光激光器，2-扩束透镜组第一透镜，3-扩束透镜组地尔透镜，4-光学四分之一波片，5-聚焦透镜，6-光学分束器，7-物镜，8-超表面载玻片(81-石英基底，82-周期性排布圆孔结构层)，9-光学反射镜，10-成像透镜，11-成像相机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明，以下实施例的说明仅用于理解本发明而不限制本发明的使用范围，基于本发明的所有实施例，本领域技术人员对本发明做出的等价形式修改所得到的其他实施例，均落在本发明权利要求限定范围。
如图1所示，基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置由连续光激光器1，扩束透镜组第一透镜2，扩束透镜组第二透镜3，光学四分之一波片4，聚焦透镜5，光学分束器6，物镜7，超表面载玻片8，光学反射镜9，成像透镜10和成像相机11组成，共同完成对纳米颗粒的高灵敏成像。其中，超表面载玻片8是显微成像装置的核心，由石英基底81和周期性排布的孔洞结构阵列82组成，如图2a和图2b所示。通过对孔洞结构阵列的材料和结构尺寸进行设计，能够使其工作波长在可见光波段任意调整，以满足显微成像的需求。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于周期孔洞超表面载玻片的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法。其中，连续光激光器1发射波长为532nm的线偏振连续光，经焦距分别为10mm和20mm的透镜2和透镜3扩束后，再经过四分之一波片4转变为圆偏振连续光。该光束经焦距为30mm的透镜5聚焦后，再依次经过分束比为50％:50％的光学分束器6以及放大倍率和数值孔径分别为100倍和1.4的物镜7，以宽场形式照射到超表面载玻片8上。超表面载玻片8的基底是厚度为170μm的石英，以匹配物镜的焦距。超表面载玻片8的结构层由二氧化钛材料制成，阵列结构的周期为350nm，厚度为45nm，孔洞直径为100nm。超表面载玻片8以及石英载玻片的光能量反射率如图3所示，在532nm波长处，超表面载玻片8和石英载玻片的能量反射率分别为0.018和0.043，前者要低于后者，因此利用超表面载玻片8能够获得更低的反射参考信号。超表面载玻片8的近场光强增强情况如图4所示，在孔洞内部，光强最大得到了超过20倍的增强，从而能够增强纳米颗粒与照明光之间的相互作用，提高纳米颗粒的散射光强度。对于直径为40nm的金纳米颗粒来说，相比于石英载玻片，超表面载玻片8可以将颗粒的散射消光截面增强高达54倍。增强后的散射光由物镜7收集后，依次经过光学分束器6、反射镜9和焦距为20mm的成像透镜10，最终被相机11接收，实现对小尺寸纳米颗粒的高灵敏度成像效果。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种基于周期孔洞超表面载玻片的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法。其中，连续光激光器1发射波长为488nm的线偏振连续光，经焦距分别为10mm和20mm的透镜2和透镜3扩束后，再经过四分之一波片4转变为圆偏振连续光。该光束经焦距为30mm的透镜5聚焦后，再依次经过分束比为50％:50％的光学分束器6以及放大倍率和数值孔径分别为100倍和1.4的物镜7，以宽场形式照射到超表面载玻片8上。超表面载玻片8的基底是厚度为170μm的石英，以匹配物镜的焦距。超表面载玻片8的结构层由二氧化钛材料制成，阵列结构的周期为321nm，厚度为40nm，孔洞直径为92nm。超表面载玻片8以及石英载玻片的光能量反射率如图5所示，在488nm波长处，超表面载玻片8和石英载玻片的能量反射率分别为0.024和0.043，前者要低于后者，因此利用超表面载玻片8能够获得更低的反射参考信号。超表面载玻片8的近场光强增强情况如图6所示，在孔洞内部，光强最大得到了超过20倍的增强，从而能够增强纳米颗粒与照明光之间的相互作用，提高纳米颗粒的散射光强度。对于直径为40nm的金纳米颗粒来说，相比于石英载玻片，超表面载玻片8可以将颗粒的散射消光截面增强高达48倍。增强后的散射光由物镜7收集后，依次经过光学分束器6、反射镜9和焦距为20mm的成像透镜10，最终被相机11接收，实现对小尺寸纳米颗粒的高灵敏度成像效果。
实施例3
如图1所示，本实施例提供一种基于周期孔洞超表面载玻片的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法。其中，连续光激光器1发射波长为532nm的线偏振连续光，经焦距分别为10mm和20mm的透镜2和透镜3扩束后，再经过四分之一波片4转变为圆偏振连续光。该光束经焦距为30mm的透镜5聚焦后，再依次经过分束比为50％:50％的光学分束器6以及放大倍率和数值孔径分别为100倍和1.4的物镜7，以宽场形式照射到超表面载玻片8上。超表面载玻片8的基底是厚度为170μm的石英，以匹配物镜的焦距。超表面载玻片8的结构层由氮化镓材料制成，阵列结构的周期为350nm，厚度为53nm，孔洞直径为100nm。超表面载玻片8以及石英载玻片的光能量反射率如图7所示，在532nm波长处，超表面载玻片8和石英载玻片的能量反射率分别为0.015和0.043，前者要低于后者，因此利用超表面载玻片8能够获得更低的反射参考信号。超表面载玻片8的近场光强增强情况如图8所示，在孔洞内部，光强最大得到了超过20倍的增强，从而能够增强纳米颗粒与照明光之间的相互作用，提高纳米颗粒的散射光强度。对于直径为40nm的金纳米颗粒来说，相比于石英载玻片，超表面载玻片8可以将颗粒的散射消光截面增强高达70倍。增强后的散射光由物镜7收集后，依次经过光学分束器6、反射镜9和焦距为20mm的成像透镜10，最终被相机11接收，实现对小尺寸纳米颗粒的高灵敏度成像效果。
以上所述仅为本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的基本原理所做的修改、改进等，都应当在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，其特征在于：
包括光源模块、照明光路、超表面载玻片(8)以及成像模块；其中光源模块产生圆偏振连续激光，经照明光路后以宽场照明形式与纳米颗粒发生相互作用，纳米颗粒经超表面载玻片增强后的散射光与直接反射光经物镜(7)收集后通过成像模块实现干涉成像；通过对采集到的图像进行后期处理，即可得到纳米颗粒的干涉散射显微成像结果。
2.根据权利要求1所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，其特征在于：
所述光源模块包括：连续光激光器(1)、扩束透镜组以及光学四分之一波片(4)，其中，扩束透镜组包括第一透镜(2)、第二透镜(3)；连续激光器(1)产生线偏振连续激光，第一透镜(2)和第二透镜(3)对连续激光进行扩束，光学四分之一波片(4)将线偏振激光转变为圆偏振连续激光。
3.根据权利要求1所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，其特征在于：
所述照明光路包括：聚焦透镜(5)、光学分束器(6)以及物镜(7)；其中，透镜(5)和光束分束器(6)结合，将光源模块产生的圆偏振连续激光聚焦于物镜(7)后焦面上，物镜(7)对聚焦光束进行准直，从而实现对超表面载玻片(8)的宽场照明效果，照明光与纳米颗粒发生相互作用。
4.根据权利要求1所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，其特征在于：
所述超表面载玻片(8)由石英基底(81)和周期性排布的圆孔结构层(82)构成。其中，圆孔结构层(82)的厚度h远小于照明波长，结构周期p和圆孔半径r均具有亚波长特征。
5.根据权利要求1所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置，其特征在于：
所述成像模块包括：光学反射镜(9)、成像透镜(10)和成像相机(11)；物镜(7)收集增强后的纳米颗粒散射光和超表面载玻片(8)的直接反射光，分束器(6)、反射镜(9)将收集到的光束导入成像光路，成像透镜(10)将纳米颗粒图像成于相机(11)的焦面上；相机(11)采集到的图像经算法处理后，获得纳米颗粒的干涉散射成像结果。
6.一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：连续光激光器1产生的线偏振激光经透镜组扩束后再经四分之一波片(4)转变为圆偏振连续激光；
S2：圆偏振连续激光经透镜(5)和分束器(6)后聚焦于物镜(7)的后焦面上，被物镜(7)准直后以宽场形式照射到超表面载玻片(8)表面，与纳米颗粒发生相互作用；
S3：增强后的纳米颗粒散射光和超表面载玻片(8)直接反射光经物镜(7)收集后，再依次经过分束器(6)，反射镜(9)以及透镜(10)成像于相机(11)的焦面上，并被相机(11)所采集到；
S4：通过后期算法对采集到的图像进行背景去除，得到纳米颗粒的散射干涉成像结果。
7.根据权利要求6所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，其特征在于：
以各向同性圆偏振连续光作为照明光源，排除了照明光源本身各向异性对成像效果的干扰。
8.根据权利6所述的一种基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，其特征在于：
采用超表面载玻片(8)，利用超表面支持的电磁谐振模式，在圆孔内实现对电场的局域增强效果，增强照明光与纳米颗粒之间的相互作用，显著提高纳米颗粒`散射光的强度；还减小反射参考光强度，提高纳米颗粒的成像对比度。
9.根据权利要求6所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，其特征在于：所述的后期算法是滚动差分平均算法。
10.根据权利要求6所述的基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像方法，其特征在于：
采用高数值孔径的油镜作为物镜，增加对纳米颗粒散射光的收集能力，避免能量损失。
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| CN202311029089.XA CN117269001A (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 基于周期孔洞超表面的反射式高灵敏度干涉散射显微成像装置和方法 |
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| CN117269001A true CN117269001A (zh) | 2023-12-22 |
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