基于二维材料折射率传感的新型光热成像和光声成像研究

Photothermal microscopy and photoacoustic microscopy, as two kinds of advanced microscopy detection technology, have been widely used in the fields of biology, medicine, chemistry, physics and so on. For the two microscopy methods, it is significant to develop a new type of photothermal and photoacoustic detection technology with high sensitivity, wide band, but also a great challenge. In this project, we apply the high sensitive refractive index sensor based on two-dimensional materials to photothermal microscopy and photoacoustic microscopy. Photoacoustic and photothermal effect will cause the change of the refractive index. We will use the refractive index sensor based on two-dimensional material to measure these changes in refractive index. This is different from the measurements of light scattering for photothermal microscopy and piezoelectric transducer for photoacoustic microscopy. Combined with weak signal measurement technologies of balance detection and lock-in amplifier, we will realize the photothermal microscopy and photoacoustic microscopy with high sensitivity and wide band. In the study, the polarization-dependent optical properties of graphene, molybdenum disulfide, black phosphorus and other two-dimensional materials will be analyzed under total internal reflection in order to achieve a more optimized refractive index sensing. Then, we will combine this refractive index sensor with the excitation part of photothermal effect and the photoacoustic effect, to study the photothermal and photoacoustic microscopy of gold nanoparticles, PS microspheres, patterned micro and nano structure and cell. Through this project, we hope to develop a new type of detection structure for photothermal microscopy and photoacoustic microscopy, and to promote the development of biological and medical applications.

光热成像和光声成像作为两种先进的成像检测技术在生物、医学、化学、物理等领域中均有着重要而广泛的应用前景。对于两种成像方法，发展高灵敏度、宽带的新型光热和光声效应探测技术具有重要的意义，但也是一项重大的挑战。在本项目中，我们将基于二维材料的高灵敏折射率传感器应用于光热成像和光声成像中。与目前通过光散射和压电换能器的测量方式不同，我们将对光热和光声效应所引起的折射率变化进行直接测量，同时结合平衡探测和锁相放大等弱信号测量技术，提升两种成像的灵敏度和光声成像的宽带。系统地对石墨烯等二维材料在全内反射下光学性质的偏振依赖性进行研究分析，实现更为优化的折射率传感。将该传感器与光热效应和光声效应的激发部分相结合，逐步实现对金纳米粒子、PS小球、图形化微纳结构、细胞等进行光热成像和光声成像研究。通过该项目，我们期望发展出新型的光热成像和光声成像探测结构方式，推动其在生物和医学应用上的进一步发展。

二维材料具有优异的光电子性能，在很多方面有着重要的应用价值。利用二维材料的偏振依赖光学性质，可以设计出新型的折射率传感器，能够用于光热成像和光声成像。在本项目中，我们从二维材料结构制备、光学和光电性质，到光热探测与成像、光声成像等进行了系统的研究。首先，我们对石墨烯、黑磷、二硫化铼、二硫化钼等多种二维材料及其叠加结构的光学和光电性质进行了研究优化，将这些二维材料应用到折射率传感和光热成像中，从材料制备和性质测量方面为该项目的开展奠定了基础；其次，完成了全内反射光学系统两套方案光路搭建：棱镜型和全内反物镜（TIRF）型。对于单分子检测，采用TIRF物镜方案具有更小的探测尺度和更灵活的样品扫描方式。并通过激发光频率的反馈与锁相放大器相结合，实现弱信号测量，提升整体检测的灵敏度；最后，利用不同二维材料的折射率传感实现了光热成像和光声成像。其中，对光热成像进行了系统深入的研究，实现了对各向同性和各向异性二维材料光热性质的测量和调控，发展了光热扫描成像方法，对二维材料微纳结构以及细胞等生物组织进行了光热成像。总体上，项目执行情况良好，尤其在二维材料光电性质优化和光热成像方面获得了很好的研究成果。二维材料光热探测技术在生物化学检测、光热成像等领域有着很广泛的应用前景。二维材料光热传输成像方法对于实现二维材料大规模集成电路的热管理也具有潜在的应用。