单个纳米尺度物体无标记光学显微成像

日前，中国科学技术大学物理学院光电子科学与技术安徽省重点实验室张斗国教授课题组提出并实现了一种基于矢量光场调控原理的动量空间偏振滤波器件。将该滤波器件安装于传统无标记光学显微镜的出射端，它可以对出射光场的背景噪声进行高效抑制，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。研究成果以“Cascaded momentum-space-polarization filters enable label-free black-field microscopy for single nanoparticles analysis”为题在线发表在综合性学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

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的意义。无标记光学显微成像技术由于其特有的无损、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。但对于空气中单个纳米尺度物体来说，其光散射强度随其粒径呈6次方的衰减关系，因此其散射光信号强度远弱于背景噪音，从而导致常规无标记光学显微镜难以实现单个纳米尺度物体的高对比度、高信噪比成像，更难以实时记录其演化过程和运动轨迹。

为了解决这个问题，张斗国教授课题组设计并实现了一种动量空间偏振滤波器件（图1a所示,由偏振片Pi与涡旋半波片Vi组合而成），它可在动量空间进行矢量场偏振调控，大幅度过滤、抑制各类背景噪声，只有单个纳米尺度物体的光散射信号能透过该滤波器件，被探测器采集到，从而实现了单个纳米尺度物体的高对比度、高信噪比的成像探测 (无需图像后处理，实时呈现单个颗粒物的无标记、宽场光学像)。

作为一种应用展示，该动量空间偏振滤波器件被加载到传统全内反射显微镜（Total internal reflection microscopy, TIRM）的出射端，用于单个纳米尺度物体的成像与传感。如图1b所示，未加该滤波器件之前，由于信噪比与对比度不足，TIRM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。加载该滤波器后，TIRM被转化为黑场光学显微镜（Black field microscopy (BFM)，相对于常规的无标记暗场光学显微镜，BFM具有更低（更黑）背景噪音，更高探测灵敏度）。利用BFM，可以实时拍摄到单个蛋白质分子（66 kDa，Bovine serum albumin, BSA,图1c）、金纳米颗粒（直径5 nm，图1d）、钙钛矿纳米晶体（边长10 nm, 图1e）的高信噪比与高对比度光学显微图像。

更进一步，通过先后通入HCL气体（图1f）和HI气体（图1g），单个钙钛矿纳米晶体会发生离子交换化学反应，其形态、折射率发生变化，从而引起单个纳米晶体散射光信号的变化。BFM可以实时记录了此变化过程，证明BFM可应用于单个纳米颗粒化学反应过程的实时记录，为实时探测单个纳米尺度物体物性演化过程中所发生的物理-化学反应探测提供了新型光子学技术。

图.单个纳米尺度物体的无标记光学显微探测。(a)动量空间偏振滤波器件提升图像对比度示意图；(b) 单个66 kDa牛血清白蛋白BSA分子的全内反射成像图；(c)单个 66 kDa牛血清白蛋白分子的黑场成像图；(d) 单个5 nm金纳米颗粒的黑场成像图；(e)单个10 nm边长钙钛矿纳米晶体的黑场成像图，（f）纳米晶体与HCL反应后的黑场成像图，(g)纳米晶体再与HI反应后的黑场成像图。

该动量空间滤波器件的突出特点是：在不改变显微镜内部结构的情况下，它可以使常规的无标记光学显微镜，如表面等离激元共振显微镜、TIRM等近场光学显微镜，具有黑场成像功能，从而大幅度提升其对单个纳米尺度物体的探测灵敏度。本研究工作所发展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。

中国科学技术大学博士生刘洋同学为该论文第一作者，陈钱坤同学，冯泽宇同学，张红莉博士，邹纲教授为论文共同作者，张斗国教授为论文通讯作者。该研究工作得到了科技部，国家自然科学基金委、安徽省科技厅、唐仲英基金会等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。

相关链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2321825121