中國金宝搏入口188研制出一種全方向表面等離子體波照明器件
近(jin)日，188bet足球物理學(xue)院張斗(dou)國教授課題組，在國際學(xue)術(shu)期刊《自然·通訊》上發(fa)表了(le)題為“Large field-of-view plasmonic scattering imaging and sensing of nanoparticles with isotropic point-spread-function”的技術(shu)研究型論文。該研究依托微納(na)光(guang)(guang)學(xue)的光(guang)(guang)場調控技術(shu)，提出了(le)一種基于一維(wei)光(guang)(guang)子晶體(ti)和貴(gui)金屬薄膜的全方向表面等離激元照明(ming)器件(jian)。
研究團隊利用一(yi)維(wei)光(guang)子晶體(ti)的(de)(de)動(dong)量空間調控(kong)特(te)性，精準調控(kong)照(zhao)明(ming)光(guang)的(de)(de)透射(she)(she)角度(du)(du)，并利用這一(yi)特(te)性來(lai)全方(fang)向激發貴金屬薄膜負(fu)載(zai)的(de)(de)表(biao)面等(deng)離(li)子體(ti)波。利用該(gai)全方(fang)向表(biao)面等(deng)離(li)子體(ti)波做為(wei)近場照(zhao)明(ming)光(guang)源，研究人(ren)員(yuan)成(cheng)(cheng)功實現寬(kuan)視場、高對(dui)(dui)比度(du)(du)以及高靈敏度(du)(du)的(de)(de)單顆粒探測成(cheng)(cheng)像(xiang)。該(gai)單顆粒探測成(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)不需要復雜(za)的(de)(de)光(guang)學系統(tong)(tong)對(dui)(dui)準，其結構緊湊(cou)，體(ti)積小易于集(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)，可直接兼容到傳統(tong)(tong)明(ming)場顯微(wei)鏡(jing)或(huo)便攜式、集(ji)成(cheng)(cheng)化(hua)的(de)(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)系統(tong)(tong)上。該(gai)器件的(de)(de)提(ti)出使得表(biao)面等(deng)離(li)子體(ti)散射(she)(she)光(guang)學顯微(wei)鏡(jing)擺脫(tuo)了對(dui)(dui)高數(shu)值孔徑油浸(jin)物(wu)(wu)鏡(jing)或(huo)高折射(she)(she)率棱鏡(jing)等(deng)體(ti)積龐大(da)光(guang)學元件的(de)(de)依賴，將進一(yi)步推(tui)廣表(biao)面等(deng)離(li)子體(ti)散射(she)(she)光(guang)學成(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)在物(wu)(wu)理(li)、材料(liao)以及大(da)氣科(ke)學等(deng)領(ling)域的(de)(de)應用。
論文(wen)中，張斗國教授課題(ti)組(zu)與浙江大(da)學劉旭(xu)教授、上海理工(gong)大(da)學詹其文(wen)教授合(he)作，將(jiang)一維光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶體(ti)、貴金(jin)屬(shu)薄(bo)膜(mo)、納米(mi)顆粒(li)摻雜聚合(he)物薄(bo)膜(mo)等(deng)微納結構組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)器件集成(cheng)(cheng)到常(chang)規LED照(zhao)(zhao)明光(guang)(guang)源(yuan)上，實(shi)現了(le)全方(fang)向(xiang)表(biao)(biao)面(mian)等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)波的(de)(de)(de)激發。該光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)器件的(de)(de)(de)架(jia)構與設計(ji)(ji)原理如(ru)圖1a所(suo)示(shi)(shi)。研(yan)究人員(yuan)利(li)用數(shu)值(zhi)仿真與單顆粒(li)成(cheng)(cheng)像實(shi)驗驗證了(le)全方(fang)向(xiang)表(biao)(biao)面(mian)等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)波照(zhao)(zhao)明成(cheng)(cheng)像系統(tong)(tong)具(ju)有更(geng)加對稱的(de)(de)(de)點擴散函數(shu)（圖1b）。進一步，在(zai)實(shi)驗上通過對不(bu)同(tong)粒(li)徑(jing)顆粒(li)的(de)(de)(de)散射(she)光(guang)(guang)強(qiang)度進行統(tong)(tong)計(ji)(ji)，驗證了(le)該全方(fang)向(xiang)表(biao)(biao)面(mian)等(deng)離(li)激元照(zhao)(zhao)明器件在(zai)納米(mi)顆粒(li)并行探測方(fang)面(mian)具(ju)有更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)靈敏度，如(ru)圖所(suo)示(shi)(shi)1c所(suo)示(shi)(shi)。另外，得益(yi)于一維光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)晶體(ti)和(he)貴金(jin)屬(shu)薄(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)平面(mian)化(hua)特性(xing)，該照(zhao)(zhao)明器件可以實(shi)現厘米(mi)級別(bie)的(de)(de)(de)寬視場(chang)全方(fang)向(xiang)表(biao)(biao)面(mian)等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)波照(zhao)(zhao)明，其成(cheng)(cheng)像視場(chang)面(mian)積遠大(da)于基于油浸物鏡的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)體(ti)散射(she)光(guang)(guang)學顯微鏡，且(qie)成(cheng)(cheng)像系統(tong)(tong)架(jia)構簡(jian)潔與穩定(ding)。
圖1 全方向表面等(deng)離子體波照明器件架構(gou)示意圖及其單(dan)顆(ke)粒探(tan)測特性
在(zai)該(gai)成像(xiang)技術(shu)應用上，張斗國(guo)教授(shou)課(ke)題組與安徽光機所(suo)(suo)劉建國(guo)研究員、桂華僑研究員、解智博博士合作，利用該(gai)技術(shu)實現了(le)對粒(li)徑(jing)約為50nm的單個氣(qi)溶膠顆(ke)(ke)(ke)粒(li)吸濕性的實時、無損檢測(ce)(ce)(ce)（如(ru)圖(tu)2a和b所(suo)(suo)示(shi)），有效解決現有大氣(qi)氣(qi)溶膠測(ce)(ce)(ce)量(liang)手段存(cun)在(zai)的多顆(ke)(ke)(ke)粒(li)平均測(ce)(ce)(ce)量(liang)、操(cao)作復雜，系統穩(wen)定性差等問題，為揭示(shi)氣(qi)溶膠顆(ke)(ke)(ke)粒(li)的物理和化(hua)學特性開辟了(le)一(yi)種(zhong)創新性的測(ce)(ce)(ce)量(liang)手段。與中國(guo)金宝搏入口188化(hua)學與材料(liao)科學學院鄒(zou)綱教授(shou)、張紅莉(li)博士后合作，利用該(gai)成像(xiang)技術(shu)實現了(le)對邊長約10nm的鈣(gai)鈦(tai)礦納米顆(ke)(ke)(ke)粒(li)在(zai)離子交換過程中的監(jian)測(ce)(ce)(ce)與成像(xiang)，如(ru)圖(tu)2c-e所(suo)(suo)示(shi)。
圖2 全(quan)方向(xiang)表面等(deng)離子體(ti)波(bo)成像技術應用于大氣顆(ke)粒物吸濕增長測量和鈣鈦礦納米顆(ke)粒化學反應監測
為了展示該(gai)全方向(xiang)表(biao)面等離子(zi)體波照明(ming)器件的高集成化、便攜型和(he)寬視(shi)場(chang)照明(ming)特性，研究人員還將(jiang)全方向(xiang)表(biao)面等離子(zi)體波照明(ming)器件、智能(neng)手機、透鏡(jing)組合成便攜式光學成像系統，實現了納(na)米顆粒、納(na)米線(xian)等微納(na)物體的寬視(shi)場(chang)成像，如圖3所示。
圖3便攜式(shi)全方向(xiang)表面等離(li)子體波照明成(cheng)像系(xi)統及其成(cheng)像效果
該工(gong)作(zuo)(zuo)中，188bet足球物(wu)理(li)學(xue)(xue)院博士生(sheng)尤新祥、范澤滔為本論文(wen)共同第(di)一作(zuo)(zuo)者，物(wu)理(li)學(xue)(xue)院碩(shuo)士李成恩也參(can)與了(le)該項(xiang)研(yan)究(jiu)。該研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)(zuo)得(de)到了(le)科(ke)技部、國(guo)家自然科(ke)學(xue)(xue)基金委(wei)項(xiang)目(mu)經(jing)費的支(zhi)持。相關樣品制(zhi)作(zuo)(zuo)工(gong)藝得(de)到了(le)188bet足球微納研(yan)究(jiu)與制(zhi)造中心(xin)的儀(yi)器支(zhi)持與技術支(zhi)撐。
論文連接：//doi.org/10.1038/s41467-025-60460-7
（物(wu)理學院、科(ke)研部）
