新型动量空间偏振滤光片可实现高灵敏度纳米成像

中国科学院中国科学技术大学张东国教授团队研发出一种基于矢量光场调制的级联动量空间偏振滤光片光学模块，可有效抑制背景噪声，并捕获单个纳米物体的高信噪比光学显微镜图像。该项研究发表于《美国科学院院刊》。

精确成像单个纳米物体(例如超细大气颗粒)的演化和运动行为对于了解其特性和功能至关重要。无标记光学显微镜因其独特的非破坏性、非侵入性和快速检测特性而被广泛应用于纳米颗粒的成像和传感。

然而，对于空气中的单个纳米粒子，其光散射强度会随着粒子尺寸的六次方急剧下降，导致散射光强度远弱于背景噪声，使得传统的无标记光学显微镜很难实现单个纳米粒子的高信噪比成像。

针对这一问题，张教授团队设计了一种动量空间偏振滤光片，用于调制矢量场偏振，只有单个纳米物体的散射光才能通过滤光片并被探测器捕获，而各种背景噪声则被大幅滤除和抑制，从而实现纳米物体的高对比度、高信噪比成像。

为了演示滤光片的应用，将其安装在全内反射显微镜 (TIRM) 的出口端。安装滤光片后，TIRM 转换为黑场显微镜，与传统的无标记黑场显微镜相比，其背景噪声更低(更黑)，检测灵敏度更高。黑场显微镜可以实时捕获单个蛋白质分子、金纳米粒子和钙钛矿纳米晶体的高信噪比和高对比度光学显微镜图像。

此外，通过依次通入HCl和HI蒸气，单个钙钛矿纳米晶发生阴离子交换反应，引起纳米晶形貌和折射率的变化，从而导致单个纳米晶的散射光信号发生变化。黑场显微镜可以实时记录这一过程，为实时检测单个纳米物体性能演变过程中发生的物理和化学反应提供了一种新的光子技术。

动量空间偏振滤波装置的突出特点是能够在不改变显微镜内部结构的情况下，为传统的无标记光学显微镜，如表面等离子体共振显微镜(SPRM)、TIRM和其他近场光学显微镜提供黑场成像能力，从而显著提高它们对单个纳米物体的检测灵敏度。

该团队开发了一种黑场显微镜，为单个纳米粒子的分析提供了一个新的平台，在生物学、物理学、环境科学和材料科学领域有着良好的应用前景。