[發明專利]基于顯微物鏡的波長調制式表面等離子體顯微裝置

在審

• 申請號: 201710938103.6
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107703104A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 張蓓;張承乾;劉雨;閆鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552;G01N21/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種光學顯微鏡，尤其涉及一種基于顯微物鏡的波長調制式表面等離子體顯微裝置。

發明背景

表面等離子體(Surface plasmon resonance,SPR)是一種沿金屬和電介質表面傳播的電磁波，它對金屬和電介質的界面變化十分敏感，能夠對亞細胞結構、亞納米量級的薄膜、大分子結構、分子與分子的相互作用等進行檢測，而且檢測的結果具有高靈敏度、穩定性和高重復性，在化學、醫療、生物、半導體材料、信息等領域有廣泛的應用。棱鏡式的表面等離子體顯微鏡可以達到納米級別的超高縱向分辨率，但是由于受到SPR波傳播長度的限制，其在橫向上的分辨率長達幾個微米。使用高數值孔徑的油浸顯微物鏡SPR系統可以將焦點嚴格聚焦在亞微米級別，從而實現了亞微米尺度的橫向分辨率。然而這種使用顯微物鏡的系統在進行某些材料比如液體樣本的檢測時對于顯微物鏡的數值孔徑要求極高，使得該系統難以實現對這些樣品的檢測，而且成本高昂。我們提出了一種基于顯微物鏡的波長調制式表面等離子體顯微裝置，不僅保持了很高的橫向分辨率，同時降低了對所使用的油浸顯微物鏡的數值孔徑的要求。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明是為了克服棱鏡式SPR顯微成像技術橫向分辨率不足的問題，以及單波長的油浸顯微物鏡SPR顯微成像技術對數值孔徑要求高的問題，提供一種具有納米分辨率的波長調制式表面等離子體顯微裝置。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種具有納米分辨率的波長調制式表面等離子體顯微裝置，實現了具有三維納米分辨率的SPR傳感或成像。該顯微鏡主要由表面等離子體激發系統、表面等離子體信號檢測系統和樣品的納米定位系統。

其中表面等離子體激發系統包括寬波長照明光源、擴束裝置、入射角度調制系統、分光鏡，高數值孔徑顯微物鏡。由寬波長照明光源發射出具有寬波帶波長的入射光，由擴束透鏡來擴大入射光半徑以充滿通光孔徑；入射角度調制系統在入射光路上添加振幅調制裝置，使得入射光通過顯微物鏡后以單一角度入射到樣品表面，入射角度調制系統可以采用空間光調制器或者一個物理光闌實現對入射角的控制；高數值孔徑顯微鏡可以采用油浸顯微物鏡或者固浸顯微物鏡，將擴束和角度調制后的光聚焦到樣品表面。表面等離子體信號檢測系統用于采集反射光信號，主要包括成像透鏡組和光譜儀。成像透鏡組匯聚反射光，可以為奇數或者偶數個透鏡，對應實現顯微物鏡焦點或后焦面的成像；光譜儀可以置于焦點或者后焦面的共軛面，用于采集反射光，并對采集到的光進行波長分析。光源的偏振態可以為線性偏振或者徑向偏振；當為徑向偏振時，光譜儀可以在焦點或后焦面進行采集；當為線性偏振時，光譜儀可在焦點進行采集，或者在后焦面p偏振方向對反射光進行采集。由于SPR現象，反射光的某一波段會被吸收，在曲線上形成一個明顯的波谷。該波谷的波長即對應于待測樣品的局部特征信息。

納米定位系統，包括樣品夾持裝置、表面等離子體樣片、以及微納移動平臺。其中樣品夾持裝置用于夾持表面等離子體樣品；微納移動平臺在光軸方向上進行移動，用于調節樣品位于顯微物鏡焦點的位置；該顯微裝置可以通過掃描，得到區域內所有單點的局域特征信息；將局域特征信息進行重構，實現對樣品的表面形貌成像。

以上描述了該顯微鏡的主要工作原理和特征。本儀器能對微納樣品材料進行超高分辨率的檢測，在縱向上實現亞納米級別，在橫向上達到亞微米級別的檢測。該發明除了有高分辨率、免標記等優點外，還能有效降低對顯微物鏡數值孔徑的需求。

附圖說明

圖1為在焦點采集的波長調制式表面等離子體顯微裝置的結構圖；

圖2為入射角度調制系統的示意圖；

圖3為樣品為46nm金薄膜時反射光強與波長的關系；

圖4為線性偏振下光譜儀在后焦面和焦點上采集位置示意圖；

其中圖1中：1為寬波長光源，2為擴束透鏡組，3為入射角度調制系統，4為分光鏡，5為高數值孔徑顯微物鏡，6為待測等離子體樣片，7為成像透鏡組，8為光譜儀；

其中圖2中：9為通光孔徑，10為入射角度調制系統允許通過的入射光的范圍，5為高數值孔徑顯微物鏡，6為表面等離子體樣片，θ為經入射角度調制系統后入射到樣品表面的入射角；

其中圖4中：5為高數值孔徑顯微物鏡，11為顯微物鏡的后焦面，12為后焦面上的入射角度區域，13為線性偏振下光譜儀在后焦面上最佳采集位置，14為焦點處光譜儀采集位置。

具體實施方式