表面波光學顯微鏡研究取得進展

　　表面波光學顯微鏡主要用于研究表面或界面處光與物質的相互作用、樣品表面或界面處的行為特征。目前常用的表面波光學顯微鏡是利用金屬（通常為金或銀）薄膜負載的表面等離子體波（Surface Plasmons, SPs）作為照明光源的表面等離子體共振顯微鏡（Surface Plasmon Resonance Microscopy, SPRM），它被廣泛應用于細胞、細菌、病毒、DNA、蛋白質等生物體的無標記成像研究。但SPRM存在兩個不足之處，限制了其更為廣泛的應用：第一，由于SPs的傳播特性，導致了SPRM在SPs傳播方向的空間分辨率通常為幾個微米，遠大于光波的衍射極限；第二，由于SPs需要特定的激發條件且顯微物鏡的數值孔徑有限，導致了SPRM對入射光的波長、偏振及襯底材料有一定要求，如入射光必須是長波，且必須是p偏振光，樣品必須放置在金屬材料上。

　　 針對上述不足，中國科學技術大學光學與光學工程系微納光學與技術課題組副教授張斗國、教授王沛，與浙江大學教授劉旭、匡翠方，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所研究員劉建國、桂華僑，中國科大高分子科學與工程系教授鄒綱，美國馬里蘭大學醫學院教授J.R. Lakowicz等合作，提出并實現了一種基于旋轉照明的表面波光學顯微成像新技術，提高了無標記成像的分辨率，拓展了表面波光學顯微鏡的應用范疇，相關研究成果以Label-free surface-sensitive photonic microscopy with high spatial resolution using azimuthal rotation illumination 為題，發表在國際期刊《科學進展》（Science Advances）上。

　　圖1a所示為在自主搭建的光學顯微鏡上加載了旋轉照明模塊。利用掃描振鏡精確、高速的調節光束入射角度，在保持徑向角度（θ對應表面波的共振激發角度）不變的情況下，讓方位角在0°到360°之間高速旋轉（圖1b），進而在各個方向激發傳播的SPs。無需圖像處理，利用探測器采集圖像的時間平均效應可自然地提高SPRM成像分辨率。如圖2a所示，被成像樣品是一根彎曲介質納米線，利用常規的SPRM只能看到模糊的圖案，并有很多條紋造成的假象；而利用旋轉照明SPRM，可有效分辨出此納米線的形貌和彎曲（圖2b）。對比實驗證明，旋轉照明有效提高了SPRM成像分辨率，解決了目前SPRM存在的第一個不足之處。

　　為了解決第二個不足之處，介質多層膜負載的布洛赫表面波（Bloch Surface Waves, BSWs）被提出用來替代金屬薄膜的SPs，從而研制出另外一種表面波光學顯微鏡：Bloch surface wave microscopy (BSWM)。其優勢在于：介質薄膜（頂層材料為玻璃）穩定性優于金屬薄膜且易于進行生化修飾；BSWM既可以工作于長波也可以工作于短波；BSWs的穿透深度可以調節，可以實現不同深度的表面成像；BSWM可以工作于p偏振和s偏振入射光，有利于偏振敏感樣品的測量與表征。基于這些優勢，BSWM的應用范圍更為廣泛。

　　該論文共同第一作者是光學與光學工程系研究生蒯雁和課題組畢業生陳俊學（現工作于西南科技大學），通訊作者為張斗國。上述研究工作得到科技部、國家自然科學基金委、安徽省科技廳等的支持。相關樣品制作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心的儀器支持與技術支撐。

圖1.(a)基于旋轉照明的表面波顯微鏡實驗架構；(b) 利用雙振鏡掃描系統控制入射角度(徑向角θ和方位角φ)

圖2.SPRM成像效果對比圖，單根彎曲納米線放置在金屬薄膜上，(a)常規SPRM成像圖，(b)旋轉照明SPRM成像圖