研究实现单个纳米尺度物体无标记光学显微成像

近日，中国科学技术大学教授张斗国课题组提出并实现了一种动量空间偏振滤波器件。将该器件安装在传统无标记光学显微镜的出射端，可以高效抑制出射光场的背景噪声，进而采集到单个纳米尺度物体的高对比度、高信噪比光学显微图像。研究成果日前在线发表于美国《国家科学院院刊》。

单个纳米尺度物体，如超细大气颗粒物、金属/介质纳米粒子、生物分子等，它们的物理化学特性及其演化过程与运动行为的精准表征，对于理解和最终控制纳米尺度物质的性质和功能至关重要，在基础科学研究与工业应用方面均具有重要意义。

无标记光学显微成像技术具备特有的无损、非侵入、快速探测特性，一直以来被广泛应用于微观物体的成像与传感研究。但由于单个纳米尺度物体的散射光信号强度远弱于背景噪音，导致常规无标记光学显微镜难以实现它的高对比度、高信噪比成像，更难以实时记录其演化过程和运动轨迹。

为解决该问题，张斗国课题组设计并实现了一种基于矢量光调控原理的动量空间偏振滤波器件。它可以大幅度过滤、抑制各类背景噪声，使得单个纳米尺度物体的散射光信号透过，并被探测器采集到，从而实现高对比度、高信噪比的成像探测。

动量空间滤波器件的突出特点是，在不改变常规的无标记光学显微镜内部结构的情况下，可以直接安装在传统全内反射显微镜或表面等离激元共振显微镜的出射端，大幅度提升对单个纳米尺度物体的探测灵敏度。

张斗国介绍，未加该滤波器件之前，显微镜拍摄到的单个蛋白子分子图像上充满了各类背景噪音，蛋白质分子难以被识别出来。加载该滤波器件后，传统全内反射显微镜被转化为黑场光学显微镜，具有更低的背景噪音，更高探测灵敏度，可以实时拍摄到单个蛋白质分子、金纳米颗粒、钙钛矿纳米晶体的高信噪比与高对比度光学显微图像。

进一步地，他们往样品腔内先后通入将氯化氢气体和氢碘酸气体。这两种气体可以与单个钙钛矿纳米晶体会发生离子交换化学反应，导致纳米晶体的形态、折射率发生变化，从而引起纳米晶体散射光信号的变化，这个变化过程可以被黑场光学显微镜实时成像，证明了黑场光学显微镜可以应用于单个纳米颗粒化学反应过程的实时探测，为单个纳米尺度物体物性演化过程研究提供了新型光子学技术。

张斗国表示，“此次研究工作所发展的黑场显微镜为单个纳米颗粒的分析提供了新平台，有望在生物学、物理学、环境科学和材料科学等领域得到广泛应用。”