一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)與顯微成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了激光測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，微納粒子的直徑范圍覆蓋10納米到400納米。本發(fā)明利用高數(shù)值孔徑的浸油顯微物鏡激發(fā)貴金屬/介質(zhì)界面的表面等離子體共振，該焦平面處的光場(chǎng)分布經(jīng)微納粒子散射并由另一顯微物鏡收集后作為信號(hào)光與參考光進(jìn)行偏振外差干涉，通過(guò)提取透射光的縱向偏振態(tài)的振幅和相位，實(shí)現(xiàn)微納粒子的探測(cè)和成像。本發(fā)明利通過(guò)控制表面等離子體的激發(fā)條件，使直徑大于400納米的粒子在該激發(fā)下不產(chǎn)生表面等離子體共振，從而去除大粒子背景，實(shí)現(xiàn)在大粒子存在的背景中探測(cè)并成像微納粒子。
【專利說(shuō)明】一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)與顯微成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光外差測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)與顯微成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用光學(xué)的方法探測(cè)亞波長(zhǎng)及以下尺寸的微納粒子是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楦鶕?jù)瑞麗散射理論，粒子的散射強(qiáng)度跟粒子的直徑大小成正比，例如，當(dāng)粒子的直徑由200nm降到5nm時(shí)，其散射光強(qiáng)將急速降低4.1*109倍。另外，由于納米物體的散射截面很小，當(dāng)用光照射時(shí)，只有極少部分的入射光可以入射到它身上，而絕大部分入射光都成為了背景噪聲。為了提高信噪比，會(huì)自然想到將光高效地會(huì)聚到納米粒子上。但即使使用高數(shù)值孔徑的浸油顯微物鏡，受衍射極限的限制，其愛(ài)里斑直徑約為594nm(He-Ne激光入射，NA =1.3),而待檢測(cè)的納米粒子直徑?5nm，在焦面處只有?1/14000的入射光可以與之作用，因此來(lái)自納米粒子的微弱散射信號(hào)就迅速淹沒(méi)在強(qiáng)大的背景噪聲之中。相對(duì)于可發(fā)光的熒光納米粒子的探測(cè)，由于斯托克斯位移，熒光納米粒子的發(fā)射光波長(zhǎng)相對(duì)于吸收波長(zhǎng)發(fā)生紅移，因此可以通過(guò)光學(xué)濾波片將粒子的發(fā)射信號(hào)從入射背景中分離出來(lái)。相比之下，不發(fā)光的納米粒子的信號(hào)提取就十分困難，因?yàn)槿肷涔馀c散射光具有相同的波長(zhǎng)和方向?，F(xiàn)有的正交偏振顯微鏡可以利用大顆粒散射光的偏振旋轉(zhuǎn)，而從入射光背景中提取散射信號(hào)，但是對(duì)于小粒子就顯得無(wú)能為力。
[0003]為了抑制背景噪聲，Sonnichsen,Schultz (Appl.Phys.Lett.77, 2949 (2000))等利用暗場(chǎng)顯微照明、全內(nèi)反射等技術(shù)提高信噪比，實(shí)現(xiàn)了粒徑在?40nm的金粒子的光學(xué)探測(cè)。法國(guó)的Boyer團(tuán)隊(duì)(Science297，1160 (2002))提出了光熱的方法，利用金納米粒子在其局部表面等離子體共振波長(zhǎng)處具有強(qiáng)烈吸收的特性，用一束高能量的泵浦激光加熱金納米粒子，同時(shí)用另外一束較弱的激光來(lái)探測(cè)由溫度引起的局域折射率變化，從而實(shí)現(xiàn)了小到5nm的金粒子的探測(cè)。Orrit及其課題組(Opt.Exp.15，2273 (2007))運(yùn)用時(shí)間分辨的脈沖激光干涉法探測(cè)了小到IOnm的單個(gè)金粒子。Sandoghdar團(tuán)隊(duì)(Phys.Rev.Lett.93，037401 (2004))利用超連續(xù)譜白光激光器實(shí)現(xiàn)了小到8nm的單個(gè)金粒子探測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)粒子的表面等離子體共振譜的測(cè)量。本發(fā)明人(Nano Lett.11，541 (2011))提出了正交偏振與外差干涉的方法實(shí)現(xiàn)了小到5nm的金粒子的探測(cè)和成像。
[0004]相對(duì)于金納米粒子，普通非金屬材料粒子的探測(cè)就更加困難:1)折射率相對(duì)于所處的介質(zhì)環(huán)境變化不大；2)背景中存在的大粒子所產(chǎn)生的散射信號(hào)將完全淹沒(méi)小粒子信號(hào)。但是現(xiàn)有技術(shù)尚無(wú)法解決該問(wèn)題。
[0005]隨著生命科學(xué)的飛速發(fā)展，生化制藥，細(xì)胞成像等領(lǐng)域小粒子探測(cè)提出了更高的要求:實(shí)現(xiàn)微納粒子的無(wú)背景干擾探測(cè)和成像。本發(fā)明可以很好的解決在大粒子存在的背景噪聲中實(shí)現(xiàn)金屬、非金屬材料的微納粒子的探測(cè)和成像。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對(duì)上述背景中提到的微納粒子探測(cè)方法的不足，本發(fā)明提出了一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，該方法應(yīng)用于激光偏振外差干涉顯微測(cè)量裝置，該裝置包括:激光器、分束裝置、擴(kuò)束裝置、偏振調(diào)解裝置、可變光闌、浸油顯微物鏡、鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片、顯微物鏡、反射鏡、反射鏡、光頻調(diào)制裝置、擴(kuò)束裝置、偏振調(diào)解裝置、分光棱鏡、光電探測(cè)器、鎖相放大信號(hào)處理裝置和計(jì)算機(jī)；利用以上組成部分實(shí)現(xiàn)以下步驟:
[0008]步驟1:激光器輸出的偏振光經(jīng)過(guò)分束裝置分為兩路，分別送入信號(hào)光分支和參考光分支:
[0009]信號(hào)光分支:經(jīng)過(guò)擴(kuò)束裝置、偏振調(diào)解裝置、可變光闌、浸油顯微物鏡聚焦到鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片、經(jīng)焦點(diǎn)位于玻璃片的顯微物鏡收集后經(jīng)反射鏡、形成頻率為f的信號(hào)光；
[0010]參考光分支:經(jīng)過(guò)反射鏡、光頻調(diào)制裝置、擴(kuò)束裝置、偏振調(diào)解裝置形成頻率為(f+Af)的參考光；
[0011]經(jīng)過(guò)信號(hào)光分支和參考光分支后的信號(hào)光和參考光變?yōu)轭l差為Af的正交線偏振光;
[0012]步驟2:具有頻差為Af的信號(hào)光和參考光經(jīng)分光棱鏡進(jìn)行空間重疊，重合為一束光照射到光電探測(cè)器上；
[0013]步驟3:將光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)和光頻調(diào)制裝置的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)輸入鎖相放大信號(hào)處理裝置提取振幅和相位；
[0014]步驟4:鎖相放大信號(hào)處理裝置的振幅和相位輸出送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行同步采樣并生成點(diǎn)掃描的振幅、相位圖像；
[0015]由高數(shù)值孔徑的浸油顯微物鏡激發(fā)微納粒子所處的貴金屬/介質(zhì)界面的表面等離子體共振，利用橫向偏振的參考光提取焦平面處透射信號(hào)光中的縱向偏振態(tài)的光場(chǎng)分布，獲得以兩瓣圖案為特征的振幅圖象；
[0016]激發(fā)條件的設(shè)置以如下所述為原則:數(shù)值孔徑內(nèi)的激發(fā)角可以使得微納粒子所處位置的貴金屬能夠產(chǎn)生表面等離子體共振，而激發(fā)大粒子所處位置的表面等離子體共振所需的激發(fā)角超出浸油物鏡所能提供的激發(fā)角，從而不能發(fā)生表面等離子體共振。
[0017]所述的鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片是在玻璃的一面鍍有厚度為20納米到100納米的金或銀或鉬或鋁等貴金屬，在該金屬表面固定待測(cè)粒子樣品，玻璃的另一面經(jīng)油與浸油物鏡匹配。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為偏振外差干涉測(cè)量系統(tǒng)光路圖。
[0019]I激光器；2分束裝置；3擴(kuò)束裝置；4偏振調(diào)解裝置；5可變光闌；6高數(shù)值孔徑浸油物鏡；7鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片；8顯微物鏡9反射鏡；10反射鏡；11光頻調(diào)制裝置；12擴(kuò)束裝置；13偏振調(diào)解裝置；14分光棱鏡；15光電探測(cè)器；16鎖相放大信號(hào)處理裝置；17計(jì)算機(jī)；
[0020]圖2A為高數(shù)值孔徑浸油物鏡在X偏振光激發(fā)下透射光的縱向偏振態(tài)在焦平面位置處的振幅分布圖。
[0021]圖2B為高數(shù)值孔徑浸油物鏡在I偏振光激發(fā)下透射光的縱向偏振態(tài)在焦平面位置處的振幅分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0023]本發(fā)明的目的是在有大粒子存在的環(huán)境噪聲中探測(cè)并成像微納粒子，提出了一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法。
[0024]本發(fā)明方法應(yīng)用于激光偏振外差干涉顯微測(cè)量裝置，該裝置包括激光器1、分束裝置2、擴(kuò)束裝置3、擴(kuò)束裝置4偏振調(diào)解裝置5、偏振調(diào)解裝置6浸油/浸水物鏡7、鍍有貴金屬的玻璃片8、物鏡9、反射鏡10、聲光調(diào)制器裝置11、普通分光棱鏡12、偏振裝置13、偏振裝置16光電探測(cè)器14、信號(hào)處理裝置15 ;利用以上組成部分實(shí)現(xiàn)；
[0025]本發(fā)明的具體步驟為:
[0026]步驟1:激光器I輸出的偏振光經(jīng)過(guò)分束裝置2分為兩路，分別送入信號(hào)光分支和參考光分支；
[0027]信號(hào)光分支:經(jīng)過(guò)擴(kuò)束裝置3、偏振調(diào)解裝置4、可變光闌5、浸油顯微物鏡6聚焦到鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片7、經(jīng)焦點(diǎn)位于玻璃片的顯微物鏡8收集后經(jīng)反射鏡9、形成頻率為f的信號(hào)光；
[0028]參考光分支:經(jīng)過(guò)反射鏡10、光頻調(diào)制裝置11、擴(kuò)束裝置12、偏振調(diào)解裝置13形成頻率為f+Af的參考光；
[0029]經(jīng)過(guò)信號(hào)光分支和參考光分支后的信號(hào)光和參考光變?yōu)轭l差為Af的正交線偏振光;
[0030]步驟2:具有頻差為Δ f的正交信號(hào)光和參考光經(jīng)分光棱鏡14進(jìn)行空間重疊,重合為一束光照射到光電探測(cè)器15上；
[0031]步驟3:將光電探測(cè)器15的輸出電信號(hào)和聲光調(diào)制器11的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)輸入鎖相放大信號(hào)處理裝置16提取振幅和相位；
[0032]步驟4:鎖相放大信號(hào)處理裝置16的振幅和相位輸出送入計(jì)算機(jī)17進(jìn)行同步采樣并生成逐點(diǎn)掃描的振幅、相位圖像；
[0033]下面用圖1和圖2說(shuō)明不受背景影響的微納粒子測(cè)量原理。
[0034]激光器I發(fā)出的線偏振光經(jīng)過(guò)分束裝置2分為信號(hào)光分支和參考光分支；信號(hào)光分支經(jīng)過(guò)擴(kuò)束裝置3、偏振裝置4、可變光闌5后變?yōu)榇怪庇诠馐鴤鞑シ较虻木€偏振光，例如X偏振光，經(jīng)數(shù)值孔徑為1.3的浸油物鏡會(huì)聚到鍍有金的玻璃表面，透射光由顯微物鏡8收集；參考光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制裝置11、擴(kuò)束裝置12、偏振裝置13后形成與信號(hào)光具有頻差Λ f且偏振態(tài)正交的線偏振光，例如y偏振光；信號(hào)光經(jīng)反射鏡9后與參考光經(jīng)分光棱鏡空間重疊為一束光照射到pin光電二極管15上,光電二極管15的輸出與聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別作為信號(hào)源與參考源送入鎖相放大信號(hào)處理裝置16進(jìn)行信號(hào)處理后，輸出信號(hào)的振幅和相位，由計(jì)算機(jī)17進(jìn)行同步采樣,逐點(diǎn)生成振幅和相位圖像。
[0035]孔徑光闌5的設(shè)置調(diào)整浸油物鏡的數(shù)值孔徑，使得在最大入射角下入射光能夠激發(fā)微納粒子所處位置的表面等離子體共振；表面等離子共振發(fā)生后，透射光的縱向偏振態(tài)，得到增強(qiáng)并且發(fā)生相位移動(dòng)，該透射光經(jīng)顯微物鏡8收集后可以與橫向偏振的參考光進(jìn)行干涉；控制入射角，使直徑大于400nm的大粒子所處的位置不發(fā)生表面等離子體共振，透射光的縱向偏振態(tài)與參考光的干涉為O ;從而提取出以圖2A所示的兩瓣形狀為特征的縱向偏振光的振幅圖。
[0036]將上述所訴的信號(hào)光改為y偏振光，參考光改為X偏振光，貝1J縱向偏振光的振幅圖如圖2B所示。
[0037]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種不受背景影響的微納粒子的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，該方法應(yīng)用于激光偏振外差干涉顯微測(cè)量裝置，該裝置包括:激光器(I)、分束裝置(2)、擴(kuò)束裝置(3)、偏振調(diào)解裝置(4)、可變光闌(5)、浸油顯微物鏡(6)、鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片(7)、顯微物鏡(8)、反射鏡(9)、反射鏡(10)、光頻調(diào)制裝置(11)、擴(kuò)束裝置(12)、偏振調(diào)解裝置(13)、分光棱鏡(14)、光電探測(cè)器(15)、鎖相放大信號(hào)處理裝置(16);計(jì)算機(jī)(17);其特征在于，利用該裝置實(shí)現(xiàn)以下步驟: 步驟1:激光器(I)輸出的偏振光經(jīng)過(guò)分束裝置(2)分為兩路，分別送入信號(hào)光分支和參考光分支； 信號(hào)光分支:經(jīng)過(guò)擴(kuò)束裝置(3)、偏振調(diào)解裝置(4)、可變光闌(5)、浸油顯微物鏡(6)聚焦到鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片(7)、經(jīng)焦點(diǎn)位于玻璃片的顯微物鏡(8)收集后經(jīng)反射鏡(9)、形成頻率為f的信號(hào)光； 參考光分支:經(jīng)過(guò)反射鏡(10)、光頻調(diào)制裝置(11)、擴(kuò)束裝置(12)、偏振調(diào)解裝置(13)形成頻率為(f+Δ?.)的參考光； 經(jīng)過(guò)信號(hào)光分支和參考光分支后的信號(hào)光和參考光變?yōu)轭l差為的正交線偏振光； 步驟2:具有頻差為Af的信號(hào)光和參考光經(jīng)分光棱鏡(14)進(jìn)行空間重疊，重合為一束光照射到光電探測(cè)器(15)上； 步驟3:將光電探測(cè)器(15)的輸出電信號(hào)和光頻調(diào)制裝置(11)的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)輸入鎖相放大信號(hào)處理裝置(16)提取振幅和相位； 步驟4:鎖相放大信號(hào)處理裝置(16)的振幅和相位輸出送入計(jì)算機(jī)(17)進(jìn)行同步采樣并生成點(diǎn)掃描的振幅、相位圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，其特征是由高數(shù)值孔徑的浸油顯微物鏡激發(fā)微納粒子所處的貴金屬/介質(zhì)界面的表面等離子體共振，利用橫向偏振的參考光提取焦平面處透射信號(hào)光中的縱向偏振態(tài)的光場(chǎng)分布，獲得以兩瓣圖案為特征的振幅圖象。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，其特征是激發(fā)條件的設(shè)置以如下所述為原則:數(shù)值孔徑內(nèi)的激發(fā)角可以使得微納粒子所處位置的貴金屬能夠產(chǎn)生表面等離子體共振，而激發(fā)大粒子所處位置的表面等離子體共振所需的激發(fā)角超出浸油物鏡所能提供的激發(fā)角，從而不能發(fā)生表面等離子體共振。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，其特征是鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片是在玻璃的一面鍍有厚度為20納米到100納米的金或銀或鉬或鋁等貴金屬，在該金屬表面固定待測(cè)粒子樣品，粒子的分布密度為小于或等于I個(gè)粒子/艾里斑直徑，玻璃的另一面經(jīng)油與浸油物鏡匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)探測(cè)和顯微成像方法，其特征是鍍有貴金屬的待測(cè)粒子樣品片是在玻璃的一面鍍有厚度為20納米到100納米的金或銀或鉬或鋁等貴金屬，在該金屬表面固定待測(cè)粒子樣品，粒子的分布密度為小于或等于I個(gè)粒子/艾里斑直徑，玻璃的另一面經(jīng)油與浸油物鏡匹配。
【文檔編號(hào)】G01N15/00GK104020085SQ201410273813
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】洪昕, 邱天爽 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)