光学各向异性单颗粒高时空分辨超定位显微成像技术.doc

光学各向异性单颗粒高时空分辨超定位显微成像技术贵金属纳米材料由于其独特的物理化学性质,目前已在纳米激光、材料科学、生物化学传感、和诊断医学等领域中得到了广泛的应用。因此,在单颗粒水平上研究纳米结构的形状、尺寸、和组成成分的差异对其光电性质的影响,探明环境介质与单颗粒之间的相互作用,对于调控纳米材料的性能和阐明生物化学反应的过程极其重要。基于局域表面等离激元共振效应(LSPR)发展起来的单颗粒显微成像技术,在此研究中展现出独特的优势。于此,本研究取得了如下进展:首先,我们使用高信噪比和高灵敏度的暗场显微镜对单颗粒进行成像分析,发现金纳米棒的散射光的强度随入射光的偏振方向的改变而呈现周期性变化。基于此,我们建立了一个时间分辨率为10ms,空间定位精度为20nm的超定位示踪技术,通过求解连续拍摄的图像中光学质心的位置和光斑信号强度,重构颗粒运动轨迹和光学图案。该技术能够同时在时域-空域-频域多个维度上对单颗粒进行示踪。我们运用该技术重点对金纳米棒的旋转布朗运动进行了研究,探究了流体黏度对纳米棒的平移运动和旋转运动的影响。结果表明,我们所构建的单颗粒示踪技术完全具备通过测量单颗粒的运动状态来监测环境介质变化的能力。在以上超定位示踪技术的基础上,我们以光学稳定好,散射信号强的金纳米棒作为运动探针,通过精确追踪单颗粒的运动行为变化来研究发生在其表面附近的分子识别作用。我们成功捕捉了修饰在金纳米棒上的生物素与载玻片上的链霉亲和素发生分子识别的瞬态过程,观测到分子识别中过渡态和稳态之间的动态变化。这种在单颗粒水平上捕捉分子识别反应的技术,提高了我们对分子识别动态过程的认知,有助于我们研究隐藏在整体测量方法下的单分子动态行为。随后,我们搭建了一个随机散射超定位显微镜用于观测等离激元材料的近场光学信号。在成像过程中,每次拍摄只搜集少数与纳米结构不同部位上发生弹性碰撞的散射光子,利用单分子定位技术提取出每个衍射光斑的精确位置。在一系列成像循环后,再利用之前所构建的超定位方法重构光学图像,从而得到等离激元材料的近场辐射图。在该随机散射超定位显微成像技术中,金纳米线的横向光学分辨率比传统暗场显微镜提升了3-4倍。我们通过借助定位概率密度分布图表征纳米线周围的局域场增强分布,在远场成像中实现对等离子体共振模式的研究。