基于表面等离激元结构光照明的宽场拉曼成像研究

Optical microscopy, especially the fluorescence microscopy plays an irreplaceable roles in biological , medicine and other fields. However, the spatial resolution of the conventional fluorescence microscopy is restricted by the optical refraction, and the photobleaching of the fluorescence probes and cross-talk of emissions are other serious problems in multi-labelling imaging. Therefore, we propose the surface plasmonic structured illumination microscopy (pSIM) technique in the super-resolution wide-field Raman imaging. Our researches will be implemented as followed: (1) we propose a new mechanism to excite higher spatial-frequency surface plasmonic standing wave and the phase shifts without the nonlinear effect of dyes. (2) Employing tunable long-pass and short-pass filters, we assemble a entral-wavelength-tunable band-pass filter group to select and scan the Raman signals in wide-field imaging system. Then we will fabricate nanostructured chips and build a prototype pSIM imaging system. The spatial resolution of sub-100 nm is validated. (3) The spectral encoded surface enhanced Raman scattering (SERS) nanoparticles will be modified to simultaneously label different biological components. Then the multiplexed super-resolution imaging is carried out and it is expected to be beneficial for the multi-labelling, super-resolution imaging of the biological and other related fields.

光学显微镜，尤其是荧光显微镜在生物、医学等方面发挥着举足轻重的作用。但常规荧光显微镜空间分辨率受到光学衍射的限制，而荧光标记又存在信号淬灭严重、信号易重叠等问题，不适合多标记成像。因此，本课题拟提出利用表面等离结构光照明显微成像（pSIM）技术开展宽场拉曼超分辨成像研究。本课题拟在以下方面开展研究：（1）研究新型的SP光场调控手段，在不涉及发光材料非线性效应的前提下实现更小周期、较大范围的结构照明；（2）利用可调滤光片构建中心波长可调的窄带通宽场拉曼光谱检测与扫描系统；加工制造纳米结构芯片，并搭建pSIM超分辨成像系统样机，实现亚百纳米以上的空间分辨率；（3）对SERS纳米颗粒进行表面修饰，并利用纳米颗粒对生物样本的多种组分同时进行标记，开展多标记的超分辨复用成像研究，希望为生物等领域的研究提供一种多标记、超分辨光学成像手段。

本课题开展拉曼成像研究，主要包括宽场拉曼成像与针尖增强拉曼散射成像。1) 当前宽场拉曼成像的空间分辨率受制于衍射极限的限制，难以对更加细微的结构进行观察研究，课题组利用空间光调制器作为光束调控平台，构建结构光照明显微镜，同时利用可调滤光片搭建窄带通滤波系统，组建宽场拉曼成像系统，实现~109 nm空间分辨率的宽场拉曼成像。利用表面增强拉曼散射探针作为标记物，开展细胞结构的多色复用超分辨成像。该工作在生物超分辨成像，尤其是多通道复用超分辨成像方面具有应用价值。2) 在透射式针尖增强拉曼散射成像系统，样品基底的透明性要求使得该技术无法实现增强效率更高的Gap模式。课题组利用虚拟表面等离激元探针技术，金属膜表面激发虚拟探针与金属针尖相互作用，从而在透射模式下实现Gap模式的电磁场增强，相比传统的透射式针尖增强拉曼散射系统，该技术可以极大地提高拉曼信号的探测灵敏度与空间分辨率。课题组以原子力显微为基础构建针尖增强拉曼散射成像系统，对该技术进行实验验证与数值分析，实现了~13.5nm空间分辨率的拉曼成像，在纳米材料表征等方面具有重要的应用潜力。