基于表面等离子共振的光流体显微镜超分辨率聚焦成像模型研究

We construct a super-resolution Optofluidic Microscopy (OFM) based on Surface plasmon resonance (SPR). SPR can enhance the transmittance of the incident optical wave, as well as go far beyond the diffraction limit to obtain the super-resolution. We shall investigate the relation between the transport speed of microfluidic and the characteristics of cells motion in external electric field, the super-resolution imaging structure and the crosstalk between adjacent nano-apertures due to Surface Plasmon Wave (SPW). OFM is consisted of fluid-metal film- medium structure and CMOS (or CCD) array. Because the fluid is the anisotropy medium, it results in the structure of fluid-metal film- medium structure and CMOS (CCD) array being the anisotropy asymmetric. We also investigate the SPs modes of this asymmetric structure and the relation of the SPs modes and the imaging resolution of OFM. Thus, we will obtain the super-resolution imaging model of OFM. All these research results will elaborate the transmission characteristics and regular patterns of SPs in the anisotropy asymmetric structure, which will be applicable to optofluidic nanoimaging, life science, microfabrication， medical diagnosis, environmental and food quality inspection, and so on.

利用表面等离子共振(Surface plasmon resonance, SPR)增加光波的透射率、突破衍射极限的特性，构建超分辨率聚焦成像的光流体显微镜，考察细胞产生的自偶极子在外电场中运动规律以及与流体输运速度的关系、超分辨率聚焦成像金属膜周期结构以及在此结构中由于表面等离子波(Surface Plasmon Wave, SPW)的传播距离引起SPR相互串扰干涉损耗机制。光流体显微镜中金属膜的一边是由电极控制的流体，一边是介质和CMOS或CCD探测器阵列，这就导致了金属膜两边介质是各向异性且不对称的，研究在这种不对称结构下存在的各种表面等离子（Surface Plasmons，SPs）模式以及这些模式对成像分辨率之间的影响规律，获得分辨率达到200nm以下的光流体显微镜超分辨率聚焦成像模型。该研究项目开展不仅拓宽了光流体应用领域，而且对进一步研究生命科学、微加工制造等领域具有重要意义。

“光流体”（Optofluidics）是将微流体与光学相结合的一门新兴技术，是当今光学领域的前沿研究课题。我们利用表面等离子共振(Surface plasmon resonance, SPR)增加光波的透射率、 突破衍射极限的特性，构建超分辨率聚焦成像的光流体显微镜，深入考察细胞产生的自偶极子在光场中运动规律以及与流体输运速度的关系、光流体结构、超分辨率聚焦成像金属膜周期结构以及在此结构中由于表面等离子波(Surface Plasmon Wave, SPW)的 特性。首先，我们研究了微流体流体中光束聚焦条件，通过离子液体的电光特性的研究，搭建了光流体通道，为后续工作提供了支持；在原有研究成果上，对表面等离子体共振结构提出了重大改进，不仅得到了焦距可调的微纳结构，还成功对等离子共振波长进行了红移，得到了红外波段下的表面等离子共振波长，这个成果将进一步拓宽该成像技术在生物医学中的应用；对于细胞在光场中的运动以及精确定位展开了研究，设计了两种对细胞捕获操控的结构；为了进一步得到细胞内部超分辨率成像，结合之前的研究，我们开展了基于纳米颗粒光子热成像的研究，为后续光流体超分辨率显微镜研究提供了新的思路。本项目研究的完成不仅拓宽了光流体的应用领域，极大的提升我国在光流体领域的竞争力与影响力，而且对于进一步发展生命科学、微加工制造、医学诊断、 环境及食品品质检查等领域的研究，也均有着不可估量的价值。