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方法文章

单个等离激元纳米粒子散射非线性的测量

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DOI：

10.3791/53338

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2016年1月3日

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1Department of Physics, National Taiwan University, 2Department of Applied Physics, Osaka University, 3Molecular Imaging Center, National Taiwan University

本文内容

摘要

在分离的等离激元粒子中发现了可饱和和反可饱和散射，并将其作为一种新型的不漂白对比机制应用于超分辨率显微技术中。本文详细阐述了检测和提取非线性散射的实验步骤，以及如何借助饱和激发显微技术提高分辨率。

摘要

等离激元学基于光激发引起的电子集体振荡，涉及显著增强的局域电场，因此在需要极高光强的非线性光学领域具有潜在应用价值。在等离激元学中，研究最为广泛的非线性效应之一是非线性吸收，包括饱和吸收和反饱和吸收行为。尽管根据米氏理论（Mie theory），纳米颗粒的散射与吸收密切相关，但直到最近才有关于等离激元散射中非线性效应的报道。

去年，首次在单个等离激元粒子中不仅实现了散射的饱和，还实现了散射的反向饱和。结果表明，可饱和散射具有明显的波长依赖性，这种依赖性似乎与局域表面等离激元共振（LSPR）直接相关。结合强度依赖性测量结果，这些发现提示散射和吸收的非线性行为可能源于共同的机制。单个金纳米球（GNS）散射的这些非线性特性具有广泛的应用前景，包括超分辨显微技术和光开关器件。

本文详细描述了如何测量单个金纳米颗粒（GNP）散射的非线性特性，以及如何利用基于饱和散射的超分辨率技术来提高光学成像分辨率。该发现首次实现了基于非线性散射的超分辨率显微成像，这是一种新型的不发生漂白的对比机制，分辨率可低至l/8，在生物医学和材料研究中具有潜在应用价值。

引言

等离激元学的研究因其在多个不同领域的应用而受到广泛关注1-4。等离激元学中最受关注的研究领域之一是表面等离激元，即在金属与电介质界面处，传导电子的集体振荡与外部电磁波发生耦合。表面等离激元已被探索用于亚波长光学、生物光子学和显微技术等潜在应用5,6。由于局域表面等离激元共振（LSPR）导致金属纳米颗粒在超小体积内产生强烈的场增强效应，引起了广泛的研究兴趣，这不仅源于其对颗粒尺寸、颗粒形状以及周围介质介电特性的极高敏感性7-10，也因其能够显著增强本征较弱的非线性光学效应11。LSPR 的极高灵敏度在生物传感和近场成像技术中具有重要价值12,13。另一方面，等离激元结构增强的非线性特性可应用于光子集成回路中的光开关和全光信号处理等领域14,15。众所周知，在低激发强度下，等离激元吸收与激发强度呈线性正比关系。当激发强度足够高时，吸收达到饱和。有趣的是，在更高强度下，吸收再次增加。这些非线性效应分别被称为可饱和吸收（SA）15-17 和反饱和吸收（RSA）18。

已知由于局域表面等离子体共振（LSPR），等离激元结构中的散射特别强烈。根据基本电磁理论，散射响应与入射光强度之间应呈线性关系。然而，在纳米颗粒中，散射和吸收通过米氏理论（Mie theory）紧密关联，二者均可表示为介电常数的实部和虚部的函数。假设单个金纳米壳（GNS）在光照下表现为一个电偶极子，根据米氏理论，单个等离激元纳米颗粒的散射系数（Qsca）和吸收系数（Qabs）可表示为19

电磁散射方程、示意图、Q_sca 和 Q_ext 公式的分析。

其中 x 为 2πa/λ，a 是球体的半径，m2 为 εm/εd。这里，εm 和 εd 分别对应金属和周围介质的介电常数。由于散射系数的形式与吸收系数相似，因此预期在单个等离激元纳米粒子中可观察到可饱和散射20。

最近，孤立等离激元颗粒中的非线性饱和散射首次得到证实21。值得注意的是，在深度饱和状态下，当激发强度增加时，散射强度实际上略有下降。更引人注目的是，当激发强度在散射达到饱和后继续增加时，散射强度再次上升，表现出逆饱和散射效应20。波长和尺寸依赖性研究表明，局域表面等离激元共振（LSPR）与非线性散射之间存在强烈关联21。等离激元散射的强度和波长依赖性与吸收行为非常相似，表明这些非线性现象具有共同的物理机制。

在应用方面，众所周知非线性效应有助于提高光学显微镜的分辨率。2007年，饱和激发（SAX）显微技术被提出，该技术可通过对外部激发光束进行时间上的正弦调制，提取饱和信号，从而实现分辨率的提升22。SAX显微技术的基本原理是：在激光聚焦光斑中，中心区域的光强高于边缘区域。如果信号（无论是荧光还是散射）表现出饱和特性，则饱和现象必然从中心区域开始，而边缘区域仍保持线性响应。因此，若存在一种方法能够仅提取饱和部分的信号，则可保留中心区域信号并抑制边缘区域信号，从而有效提升空间分辨率。理论上，只要达到深度饱和且强光照射不会对样品造成损伤，SAX显微技术不存在分辨率的下限。

研究表明，利用SAX技术可显著提高荧光成像的分辨率。然而，荧光成像存在光漂白效应的问题。结合散射非线性的发现与SAX的概念，可实现基于散射的超分辨率显微成像21。与传统的超分辨率显微技术相比，基于散射的方法提供了一种新型的无漂白对比机制。本文逐步描述了获取和提取等离激元散射非线性的操作流程，介绍了通过改变入射光强度来识别散射非线性的方法，并进一步详细阐述这些非线性效应如何影响单个纳米颗粒的成像，以及如何利用SAX技术相应地提高空间分辨率。

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方案

1. GNS 样品制备

  1. 在制备样品前，将1 ml金纳米壳（GNS）胶体溶液在约40 kHz条件下超声处理至少15分钟，以防止颗粒聚集，否则可能导致局域表面等离子体共振（LSPR）峰发生偏移。
  2. 取100–200 µl GNS胶体溶液滴加到带有商用硅酸镁铝（MAS）涂层的载玻片上，以固定GNS颗粒。
  3. 静置至少1分钟后，用蒸馏水冲洗去除多余的胶体溶液。静置时间取决于所需的GNS分布密度。通常，静置1–3分钟可获得适宜的密度，使颗粒易于识别，因为大多数颗粒彼此分离。若静置时间过长，可能发生显著聚集。
  4. 用氮气吹扫使样品干燥。
  5. （可选）为高分辨率定位玻璃基底上的GNS颗粒，可在此阶段进行扫描电子显微镜（SEM）观察23。示例图像见图1，显示了GNS颗粒的典型分布密度。使用场发射SEM获取图像。一旦在样品上添加油（下一步操作），将难以去除油分并用SEM观察样品。
  6. 在样品上滴加一滴折射率相同的油，覆盖GNS颗粒，以消除玻璃基底产生的强反射。
  7. 在样品上方加盖盖玻片，并用指甲油密封。
  8. 至少等待5分钟，直至指甲油完全干燥。此时样品制备完成。

2. 自制共聚焦显微镜的校准

  1. 参见图2了解装置示意图。首先对显微镜本体的白光照明光路进行准直。打开显微镜的卤素光源，并按照显微镜制造商的操作手册调节至科勒照明状态。确保白光卤素光束在物镜后孔径处近似平行，部分被50/50分束器反射后射向激光光路方向。
  2. 打开振镜，确保其处于正确初始位置，即扫描范围的中心位置。
  3. 在卤素光路中沿光路方向放置至少两个由带有同心圆环的薄纸片制成的靶标，并使光束与这些靶标对齐。
  4. 进行成像时，选择532 nm激光器；进行光谱测量时，选择超连续谱激光器。在对准过程中，激光在物镜后孔径处的功率应低于10 μW，以避免非线性效应。然后借助上述两个靶标，将入射激光束与出射的卤素光束反向准直。此步骤完成后，即实现激光光束的粗略对准。
  5. 调节激光束使其通过物镜后孔径的中心。通常使用油浸物镜。在油浸物镜与GNS样品之间滴加一滴浸油。使用光电倍增管（PMT）作为探测器，收集GNS的散射信号。
  6. 在PMT前方放置一个直径为20 µm的针孔，以阻挡离焦的散射信号。打开振镜和PMT（通过自行开发的软件），调节针孔位置以及样品台的高度，以最大化GNS的背向散射信号，随后在计算机屏幕上观察单个GNS。正确对准时GNS的xy平面图像示例如图2B所示。
  7. 轻微调节样品台高度以检查焦点的同心性。若不同心，则调节扫描器前方的两个反射镜，直至在改变样品台高度时GNS的中心位置保持不变。确保点扩散函数（PSF）的xz截面图像与图2C相似，以验证光束对准正确。对这两幅图像使用低通滤波和高斯平滑滤波进行处理。

3. 散射非线性的表征

  1. 在低激发强度（小于 104 W/cm2）下，按照方案 2.6 获取金纳米颗粒的图像。
  2. 在 ImageJ（或其他图像分析软件）中打开图像。在图像中的一颗 GNS 上画一条线（见图 2B），并使用 ImageJ 工具中的“分析 -> 剖面图”功能获取散射强度分布曲线。使用高斯函数拟合所选点扩散函数（PSF）的分布曲线：
    数据拟合中用于峰拟合的高斯函数公式
    其中 y 为 PMT 读出值，y0 为背景值（若有），A 为峰幅值，w 为宽度，x 为空间坐标，xc 为高斯函数的中心坐标。相应 PSF 的半高全宽（FWHM）为 (½ln2)w。根据物镜的数值孔径（NA），共聚焦 PSF 的理论 FWHM 可估算为约 0.43l/NA，其中 l 为激发波长。比较这两个数值以检查成像系统的对准情况。
  3. 通过手动调节图 2A中的中性密度（ND）滤光片来提高激发强度，并在每个强度水平下记录后向散射图像。提取不同激发强度下各 GNS 中心处的散射信号值，绘制散射信号与激发强度的关系曲线。检查前几个数据点的线性关系，在激发强度足够低时应呈现线性关系。根据前几个点的线性拟合结果绘制一条直线。若后续数据点的散射强度低于该线性趋势，则表明已发生饱和。
  4. 观察到可饱和散射后，逐步将激发强度降低至饱和阈值以下，再次对相同的 GNS 进行成像，以验证非线性行为的可逆性。

4. 单个金纳米球散射光谱的测量

  1. 为了测量单个金纳米壳（GNS）的背向散射光谱，使用超连续谱激光器作为激光光源。激光器的初始波长范围为 450 nm 至 1,750 nm。为去除可能对样品和光学元件造成损伤的多余红外光功率，在超连续谱激光器后放置一至两面镜子，反射可见光部分，并使用光束吸收器收集多余的红外光。
  2. 按照第2节中的对准步骤，将超连续谱激光导入激光扫描共聚焦显微镜。使用宽带50/50分束器，以确保在整个可见光范围内实现光谱覆盖。
  3. 获取玻璃基底上GNS的图像。在图像中定位一个孤立的GNS，并将入射宽带光的焦点固定在该颗粒上。
  4. 使用光电倍增管（PMT）前方的翻转镜，将背向散射信号引导至配备有电荷耦合器件的光谱仪，然后采集所选单个GNS的光谱。需注意，此处获得的光谱是GNS散射信号与来自其他表面反射所形成的背景信号的混合。
  5. 切换回PMT探测器，再次成像以确认颗粒位置未发生移动。随后，将焦点移至无颗粒存在的区域。再切换回光谱仪，采集另一段光谱，该光谱代表背景信号。
  6. 从步骤4.4获得的光谱中减去步骤4.5采集的背景光谱，从而获得清晰的单个GNS背向散射光谱。

5. SAX 显微镜的校准

  1. 参见图3中的SAX显微镜示意图，其中理想的正弦时间调制由两个声光调制器（AOM）之间的拍频产生。首先，调节激光束的尺寸以满足后续AOM的要求。使用50/50分束器将532 nm激光分为两束。
  2. 将两束光分别导入两个AOM中，每束光通过一个AOM。两个AOM的调制频率必须不同。例如，一个设为40.000 MHz，另一个设为40.010 MHz，从而产生10 kHz的差频。该差频即为SAX信号的基本调制频率fm。
  3. 取两个AOM的一级衍射光束，并使用另一个50/50分束器将两束光合并。调节AOM后的反射镜，使两束光准直。
  4. 连接一个与示波器相连的光电探测器以监测时间调制。用一片载玻片分出一小部分激光并送入光电探测器，如图3所示。在正确调制和光束重叠的情况下，应观察到以主频率fm为中心的正弦强度调制，类似于图4所示的波形。
    注意：为了获得最大的调制深度，调制背景应尽可能低。此外，使用示波器的傅里叶分析功能检查调制的谐波失真是否逐渐减小。为成功实现SAX，需确保激发强度调制接近完美的正弦波形，并将初始非线性降至最低。
  5. 断开光电探测器的电信号输出与示波器的连接，并将其接入锁相放大器的参考输入端。
  6. 如图3所示，按照先前的协议将激光束对准共聚焦系统。此处，将PMT的电信号输出连接至锁相放大器作为信号输入。
  7. 使用空白盖玻片作为样品，通过逐步增加激发功率来检查电检测系统的线性度，如图5所示，其中探测器在读出值低于1 V时呈线性。在所有后续测量中，需确保读出值保持在此值以下。
  8. 设置锁相放大器输出电压信号的绝对幅值。通过改变参考通道的谐波分量设置，获取SAX信号的幅值A1、A2等。
  9. 将锁相放大器输出的线性和非线性信号导入数据采集卡，该采集卡同时接收光栅扫描振镜的驱动电压信号。借助定制的Labview程序，同步锁相放大器与振镜的信号以生成图像。
  10. 为优化图像中的信噪比，应适当选择锁相放大器的像素采集时间和积分时间。例如，当激发光的主调制频率fm为10 kHz（即周期为100 µsec）时，应将锁相放大器的积分时间设置为至少是该周期的三倍。结合振镜运动时间，在SAX成像模式下，采集速度设定为每秒1,500像素。

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结果

图6展示了来自一个80 nm金纳米壳（GNS）的实测光谱。同一图中还给出了基于米氏理论计算的曲线，显示出极好的吻合。局域表面等离子体共振（LSPR）峰位于约580 nm处。在接下来的实验中，激光波长选用532 nm，因其位于等离激元吸收带内，可借助等离激元效应增强光散射，并实现散射饱和21。

图7展示了单个金纳米颗粒在不同激发强度下的散射图像，底行提供了每个颗粒的线轮廓，以突出其非线性特征。图像尺寸为 600 nm × 600 nm，像素大小为 13.8 nm。在常规的 xy 成像模式下，采集速度为每秒 234,000 个像素。每幅图像均对五次采集结果进行平均，以提高信噪比。

当激发强度低于 1.5 × 106 W/cm2 时，散射信号与激发强度呈线性关系，因此单个纳米颗粒的成像结果类似于激发光束的点扩散函数（PSF），具有标准的高斯轮廓。然而，当激发强度增加至 1.7 × 106

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讨论

在该方案中，有几个关键步骤。首先，在制备样品时，纳米颗粒的密度不应过高，以避免颗粒之间的等离激元耦合。如果两个或多个颗粒彼此非常接近，耦合会导致局域表面等离激元共振（LSPR）波长向长波方向移动，从而显著降低非线性效应。然而，这种成像技术实际上映射的是等离激元模式的分布，而非颗粒本身。因此，预期在合适的激发波长下，耦合的等离激元模式也能表现出强烈的散射非线性，并可实现分辨率增强的成像。第二，必须在激发光束中产生纯正弦调制，这促使采用两个声光调制器（AOM）之间的拍频技术。由于分辨率的提升依赖于提取散射信号调制中的非线性部分（即谐波频率成分），如果激发调制中存在非线性失真，则提取过程将更加困难。此外，在当前方案中，使用干涉仪结构来产生拍频调制，因此干涉仪中两束光的准直对实现尽可能大的调制深度也至关重要。第三，必须确保信号的非线性并非来源于探测系统（包括探测器、放大器、模数转换器和计算机输入/输出）。因此，需特别注意保证探测系统工作在线性动态范围内。动态范围定义为探测系统线性响应的区间，即从噪声水平到探测器饱和之间的范围。在当前情况下，探测到的电压信号在1 V以下呈线性，噪声水平低于10-4 V。因此，系统提供的动态范...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

本研究工作得到科技部项目 NSC-101-2923-M-002-001-MY3 和 NSC-102-2112-M-002-018-MY3 的资助。本研究还获得日本学术振兴会（JSPS）通过“下一代世界领先研究人员资助计划（NEXT Program）”的资助，该计划由科学技术政策委员会（CSTP）发起，并得到 JSPS 亚洲核心计划（Asian CORE Program）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
显微镜机身Olympus, JapanBX-51
物镜Olympus, JapanUPlanSapo, 100X, NA 1.4
80 nm 金胶体BBI Solutions, UKEM.GC80
超连续谱激光器Fianium, United KingdomSC400-2-PP
宽带介质反射镜Thorlabs, USABB1-E02
场发射扫描电子显微镜JEOL, JapanJSM-6330F可选
光谱仪Andor Technology, UKShamrock 163
电荷耦合器件Andor Technology, UKiDus DV420A-OE
声光调制器IntraAction Corp., USAAOM-402AF1
锁相放大器Stanford Research Systems, USASR-830
MAS 涂层载玻片Matsunami Glass, Japan,S9215

参考文献

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