新型动量空间偏振滤波器实现高信噪比纳米成像

中国科学院（CAS）中国科学技术大学张东国教授领导的一个研究小组开发了一种由基于矢量光场调制的级联动量空间偏振滤波器组成的光学模块

该方法可以有效抑制背景噪声，并捕获单个纳米物体的高信噪比（SNR）光学显微镜图像。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上

对单个纳米物体（如超细大气颗粒）的演变和运动行为进行精确成像，对于理解其性质和功能至关重要。无标记光学显微镜以其独特的非破坏性、非侵入性和快速检测特性，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颗粒，其光散射强度随着其颗粒尺寸的六次方而急剧降低。因此，散射光强度比背景噪声弱得多，这使得传统的无标记光学显微镜难以实现单个纳米颗粒的高SNR成像

为了证明过滤器的应用，将其安装在全内反射显微镜（TIRM）的出口端。安装过滤器后，将TIRM转换为黑场显微镜，与传统的无标记黑场显微镜相比，黑场显微镜具有更低（更黑）的背景噪声和更高的检测灵敏度

黑场显微镜可以实时捕捉单个蛋白质分子、金纳米颗粒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，通过连续引入HCl和HI蒸汽，单个钙钛矿纳米晶体发生阴离子交换反应，导致纳米晶体的形态和折射率发生变化，导致单个纳米晶体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质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

动量空间偏振滤光片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，从而显著提高其检测单个纳米物体的灵敏度

该团队开发了一种黑场显微镜，为单个纳米颗粒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中具有很好的应用前景