表面等离激元共振全息显微镜：折射率与厚度测量的新突破

本文由论文作者团队撰稿

导读

西北工业大学赵建林教授团队近期发表了一篇题为“Refractive Index and Thickness Measurements with Ultrahigh Sensitivity via Versatile Surface Plasmon Resonance Holographic Microscope”的研究论文。

这项研究通过对表面等离激元共振全息显微术的光学系统进行仪器化设计，成功研发出一种多功能表面等离激元共振全息显微镜。这种显微镜拥有简单紧凑的光机结构，并且系统稳定性非常出色。此外，它还集成了电动化的入射角度扫描功能，有效提升了操作的便捷程度。研究团队特别提出了一种膜厚优化的银-金双层金属膜表面等离激元共振激发结构，并开发出了基于入射角度扫描的二维材料厚度解调算法。这两项创新使得显微镜实现了两大性能的显著突破：1. 超高折射率测量灵敏度，可以检测到低至10 RIU的折射率微小变化；2. 亚纳米厚度测量分辨率，能够精确表征原子层材料厚度。这款显微镜为原位纳米材料表征、细胞生物学研究以及电化学分析等领域，提供了高灵敏度的光学表征平台，其应用前景十分广阔。

在先进制造、生物医疗和新材料研发这些领域里，精确测量物质的折射率和厚度，对于监控芯片生产良率、探索新型材料制备方法等方面至关重要。可是，当前可用的测量工具都存在各自的不足之处。以原子力显微镜、透射电子显微镜为代表的传统“纳米标尺”，虽然测量精度很高，但采用逐点扫描的工作方式，导致其速度慢、效率低，还可能对样品造成损伤。另一方面，基于表面等离激元共振的高灵敏测量技术，在实际应用中的测量精度通常只达到10 RIU，难以捕捉更为细微的变化。研究人员设计的激发结构虽然提升了一定的测量灵敏度、响应速度和微型化程度，却对精密制造工艺产生了较高的依赖，使得制备成本居高不下，这也成为了限制其广泛应用的瓶颈。

表面等离激元共振全息显微术作为一种新型的光学表征技术逐渐进入人们的视野。这种技术将数字全息显微术与表面等离激元共振显微术进行了巧妙的结合，通过特殊的解调算法，可以从测量信号中解调出相关的物性参量。表面等离激元共振全息显微术具备无标记、非侵入、全场、实时、高灵敏测量等优势。尽管如此，现有系统的设计简易性和测量灵敏度极限，阻碍了该技术走向实际应用。如何设计出一套既简易便捷，又可以拥有更高测量灵敏度的表面等离激元共振全息显微镜，成为了当前亟需解决的一项挑战。

图1：表面等离激元共振全息显微镜功能及其应用

该研究团队基于共光路表面等离激元共振全息显微术，成功研发了一台多功能表面等离激元共振全息显微镜。这台显微镜运用了模块化设计理念，将光束整形、表面等离激元激发、成像以及全息记录等功能单元进行了集成，并且配备了电动化入射角度扫描模块。这种设计不仅实现了光机结构的高度集成化，还大大方便了组件的更换和系统升级。为了有效抑制环境噪声的扰动，研究团队将标准化的笼式部件与精密隔振支撑柱进行了刚性配合，同时采用了全封闭外壳，从而确保了长期测量过程中的信号稳定性。该显微镜能够在非实验室环境下实际应用，为多样化的应用场景提供了有力的支持。所设计的表面等离激元共振全息显微镜的光机结构以及实物形态，如图2所示。

图2：表面等离激元共振全息显微镜光机结构及实物图

在此基础上，研究团队提出了一种银-金双层金属膜表面等离激元共振激发结构。这种结构很好地结合了银的高激发效率与金的优异化学稳定性，实现了探测灵敏度和器件长期稳定性的双重保证。团队针对这一激发结构开发了膜厚优化算法，精确计算了针对不同样品的最优双层膜厚度。利用研发的显微镜平台以及设计的激发结构，研究团队对乙醇-水混合溶液的挥发过程进行了监测，成功实现了折射率动态变化的高灵敏追踪。实验数据显示，折射率测量分辨率达到了2.58×10 RIU。