CN111060481A - 基于同轴双波导光纤spr纳米显微成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于同轴双波导光纤SPR(surface plasma resonance)纳米显微成像装置。其特征是：它由同轴双波导光纤1、同轴双波导光纤连接器2、相机3、计算机4、光源5及光纤6组成。表面等离激元共振能够被有效的约束在光纤锥体圆台端面的金属层表面，且对环境变化非常灵敏，利用同轴双波导光纤1的环形芯1‑1使激光激发表面等离激元与样品相互作用，消除表面等离激元作用于样品后带来的拖尾，同时使用同轴双波导光纤1的中间芯进行散射光收集，经由计算机4处理实现高信噪比和高分辨率的显微成像。该发明使用特种光纤，可有效降低成本、优化结构，可实现便携式高信噪比和高分辨率微纳显微成像。

Description

基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，属于光纤显微成像领域。
(二)背景技术
显微成像是科学研究光学检测中最常用、最有效的工具。使用传统显微镜时，可以清晰分辨两个物体之间的最小距离取决于显微镜的极限。为了可以更好的观察微观世界，科研人员致力发展各种提高分辨率的方法。超分辨成像技术也不断取得了突破性进展，典型代表有共聚焦显微镜(Confocal Microscope)、受激发射损耗显微镜技术(StimulatedEmission Depletion Microscopy，STED)，光激活定位显微镜技术(Photo ActivationLocalization Microscopy，PALM)等。值得注意的是，这里所有的超分辨成像技术中，使用的光路均为远场泄漏辐射成像***。
荧光探测是生物科学领域一项重要工具。临床诊断及DNA分析中经常使用表面束缚技术捕捉抗体、DNA寡聚物或靶材分子等等。普通荧光显微镜的分辨率在200nm，超高分辨荧光显微镜可实现小于10nm结构的成像，但是均需对样品进行荧光标定，这可能会使得样品的活性等性质发生改变而无法反应样品的真实性。因此对于光学显微镜而言，提高其分辨率，并实现无需荧光标记至关重要。倏逝波可以作为显微镜照明光源，例如，《In situsingle-molecule imaging with attoliter detection using objective totalinternal refection confocal microscopy》和《Eyen illumination in total internalrefection fluorescence microscopy using 1aser light》提出的全内反射(Totalinternal reflection，TIR)产生的倏逝波可用于光场表面成像。用TIR方法测量，入射光需大于临界角入射，激发倏逝场，倏逝场纵向渗透深度大约为100nm，是一种局域的电磁场。这种局域的电磁场可选择性观察样品表面的生物分子，这对于细胞和分子生物学等光学领域而言是至关重要的一项技术。TIR照明可用于选择性对样品表面成像，最大程度的降低体相背景信号，提高信噪比。
许多基于表面信号探测的方法，无法收集到弱束缚在表面的荧光信号。然而对于许多种类型的生物成像实验，样品体相辐射信号的探测也可提供有用的信号，因此既要求测量在紧束缚分子荧光信号，也要测量体相目标分子信号。在这些情况下，选择性激发表面或者体相目标分子是十分有用的。表面束缚荧光信号测量使得体相信号最大限度不被收集，从而可省去洗去无束缚荧光团步骤。然而TIR难以获得长倏逝深度的电磁场，因此难以探测到体相信号。荧光显微镜则是宽场照明或远离玻璃基底表面体相成像的一种典型手段。可分别使用全内反射荧光显微镜(total internal refection fluorescence，TIRFM)和荧光显微镜分别实现表面或体相样品成像，然而难以实现两种成像的同时迸行。同时实现两种成像技术之间的切换需要精确的机械对准，实际操作中难以进行。
表面波显微镜的出现解决了上困难，表面波显微镜是利用表面波，主要是金属与空气截面的表面等离激元共振，作为照明光源，利用其在表面传播的强局域性，且对界面处的扰动非常灵敏的特性，实现临近金属膜层表面样品的高灵敏度成像。中国专利CN103837499 A提出一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，主要利用高数值孔径显微物镜与宽带径向偏振光或者径向偏振白光搭建光谱测量装置。基于此装置可以获得高空间分辨率。中国专利CN 105628655 A提出一种分辨率高且无需荧光标记的基于表面等离子体共振的光学显微镜，在等离子共振传感芯片激发等离子表面共振，从而获得高空间分辨率。上述主要显微技术在实际应用中具有很大的局限性，其存在的问题为：
1、信噪比差。倏逝波显微成像时，由于激发场的倏逝波和样品散射的表面波会相互干涉，会在样品沿激发方向一侧形成强烈的拖尾，拖尾长度等于倏逝波沿表面的衰减长度，拖尾的信号与样品散射信号一同泄露下来被成像***收集，使得成像信噪比被显著降低。
2、空间分辨率差。同样由于拖尾，倏逝波成像***对具有边界的实际样品成像时，边界处会产生条纹状拖尾，使其分辨率显著下降。
3、时间分辨率差。近些年发展的倏逝波成像***为提高分辨率，往往需要多次多角度采集图像，再利用算法消除成像的拖尾提高分辨率。带来的问题则是每获得一张显微图像需要大量的时间，时间分辨率差，无法进行实时观察。
中国专利CN 109239020 A提出一种基于旋转照明的表面波成像***，通过振镜扫描***消除了表面波作用于样品后带来的拖尾，提高了表面波显微成像的信噪比和分辨率，但是使用的器件种类多、体积大，导致笨重及不便。
单光纤成像技术采用单根多模光纤进行成像，光纤既是成像器件又是传像器件，无需增加扫描器件和成像透镜便可将光纤一段视场范围内的场景一次性传输到另一端，属于宽场光纤成像技术。经过近10年的发展，单光纤成像技术在成像机理、成像质量和应用研究等方面都取得了很大的进步，但在成像速度和分辨率方面还存很多不足。
本发明公开一种基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置。克服传统表面波成像显微镜信噪比低、时间和空间分辨率差且成本高的不足。采用同轴双波导光纤，既使用表面等离子共振波获取高分辨率和高信噪比的散射信号，同时采用光纤成像的方式获取图像；SPR的激发与图像信号的采集使用同一根光纤完成，既可获得高质量的图像也可以实现便携式显微探测成像。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、稳定性好、造价低、易于装配的表面增强型纳米显微装置，可实现非固定式表面样品实时观测，获得表面样品的高信噪比和高分辨率成像的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置。
本发明是这样实现的：
基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，其特征是：它由同轴双波导光纤1、同轴双波导光纤连接器2、相机3、计算机4、光源5及光纤6组成。所述组成中：将光源5发出的光经光纤6的一束穿过同轴双波导光纤连接器2打入同轴双波导光纤1的环形芯1-1，经过微加工的光纤端使得光与光纤锥体圆台端面的金属层特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过同轴双波导光纤1的环形芯1-1形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发光纤锥体圆台端面的金属层中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由同轴双波导光纤1的环形芯1-1入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光由连接相机3的同轴双波导光纤1的中间芯1-2收集，并与光源的另一束光在相机3上形成干涉图，由计算机4利用离轴数字全息算法，从光纤中提取图像的赋值和相位在计算机上还原图像，从而可以获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
所述的同轴双波导光纤1的环形芯1-1是一种具有沿轴心对称环形波导且中间具有一个大芯径的纤芯的光纤。如图2所示，1-1为同轴双波导光纤的环形芯，1-2为同轴双波导光纤的中间芯。该中间芯的直径较大，散射信号光，将包含图像信息的光场。包括强度分布、相位分布和光束波前等信息经相机3输入计算机4，经处理变换获得图像。
所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置的成像方式使用的是单个多模光纤成像的原理。单个多模光纤成像原理在文献《Scanner-Free and Wide-FieldEndoscopic Imaging by Using a Single Multimode Optical Fiber》有详细描述，如图(7)所示，激光器发出激光将光一分为二，利用反射镜将透射光反射并经反射镜BS2与光纤进行耦合，然后光纤的另一端为待测平面OP，照亮目标对象，随后光纤采集到的光返回到IP，随后进入到相机，与由B1分束的经BS3反射进入相机的光相结合，在相机上形成干涉图像。利用离轴数字全息算法，从光纤中提取图像的赋值和相位在计算机上还原图像。
所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置的成像方式在上述单个多模光纤成像的基础上进行了优化和改进，我们采用同轴双波导光纤，可以代替图(7)中复杂的光路，光源5经光纤6将光分为两束，一束光经同轴双波导光纤连接器2进入同轴双波导光纤1的环形芯1-2，在同轴双波导光纤的另一端汇聚激发SPR照明样品，散射光经同轴双波导光纤1的中间芯1-1穿过同轴双波导光纤连接器经光纤6与光源5的另一束光在相机6上形成干涉图像，利用离轴数字全息算法，从光纤中提取图像的赋值和相位在计算机上还原图像。
所述的光纤锥体圆台端面的金属层，光在光纤锥体圆台端面与金属膜表面上发生全反射，形成倏逝波进入到光疏介质中，金属介质膜内存在一定的等离子波。两波相遇时发生共振。如图(4)所示，选择入射波长为635nm，SPR使用Kretschmann配置激发，参考SPR的反射波能量随入射角度的变化关系，其中S波无明显变化。但P波变化明显，在特定角度存在共振峰，当环境折射率从1.0增加到1.1时，SPR的谐振峰发生位移，显示出这种波的传感能力。
所述的***中使用同轴双波导光纤1，由已配置的光纤锥体圆台端面的金属层的参数及已知的环境折射率，获得的SPR反射波能量随共振角度变化的关系图，并获取最佳入射角度，经过图(2)所示的微加工方式，获得具有所需角度θ的锥形光纤端同轴双波导光纤1。
所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，是以角度为θ的同轴双波导光纤1的环形芯1-1传输光源，如图(5)所示激光可以围绕中心360度激发等离子共振波，从而消除单一方向的等离子共振增强效果获得的具有拖尾的图像，最终获得高信噪比、高分辨率的图像。
所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，散射光由同轴双波导光纤的中间芯1-2进入相机3，经计算机4处理获得高分辨率和高信噪比的图像。
所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置可以实现便携式显微成像。
(四)附图说明
图1是基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置的结构示意图，包括同轴双波导光纤1、同轴双波导光纤连接器2、相机3、计算机4及光源5。
图2是同轴双波导光纤的截面图，1-1为同轴双波导光纤的环形芯，1-2为同轴双波导光纤的中间芯。
图3是同轴双波导光纤1的环形芯1-1研磨加工图，由(a)图开始研磨，光纤和研磨盘同时旋转以保证加工后的光纤的对称性；(b)是研磨过程图；(c)是研磨完成后的效果图；(d)是定义的光纤研磨角度。
图4是等离子共振反射能量与入射波角度的关系图。
图5是360度激发表面等离子激元的示意图。
图6是同轴双波导光纤锥体示意图，8是多层介质膜，7是待测小球。
图7是单个多模光纤成像原理图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1是本发明所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置的结构示意图，结构中包含同轴双波导光纤1、同轴双波导光纤连接器2、相机3、计算机4及光源5。其中同轴双波导光纤1的端面结构图如图2所示。
实施例1：
首先进行光纤锥体圆台端面的金属层的制作，我们将玻璃板表面镀上45nm的银膜。我们将待测物体放在水中或者特定液体，由此保证环境折射率固定。由已知等离子芯片的各项参数，棱镜折射率n0＝1.56,银膜介电常数e2＝-13.4+1.4i，环境液体折射率ne＝1.1求出光波的反射率与入射波角度直间的关系如图(4)，可知在此条件下，入射角度为43度时共振效果最佳。
以43度作为θ角，将同轴双波导光纤1按照图3所示研磨方式，获得角度为θ的锥体端。
所述环形芯光纤SPR表面增强型纳米显微台中，将光源5发出的光经光纤6的一束穿过同轴双波导光纤连接器2打入同轴双波导光纤1的环形芯1-1，经过微加工的光纤端使得光与光纤锥体圆台端面的金属层特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过同轴双波导光纤1的环形芯1-1形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发光纤锥体圆台端面的金属层中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由同轴双波导光纤1的环形芯1-1入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光由连接相机3的同轴双波导光纤1的中间芯1-2收集，并与光源的另一束光在相机3上形成干涉图，由计算机4利用离轴数字全息算法，从光纤中提取图像的赋值和相位在计算机上还原图像，从而可以获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。

Claims (3)

1.基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，其特征是：它由同轴双波导光纤1、同轴双波导光纤连接器2、相机3、计算机4、光源5及光纤6组成。
所述组成中：将光源5发出的光经光纤6的一束穿过同轴双波导光纤连接器2打入同轴双波导光纤1的环形芯1-1，经过微加工的光纤端使得光与光纤锥体圆台端面的金属层特定角度，该角度可在已知参数下求得；激光经过同轴双波导光纤1的环形芯1-1形成一束具有特定入射角的光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发光纤锥体圆台端面的金属层中存在的等离激元；表面等离激元传播经过样品时，会发出散射信号光和表面拖尾，该激光由同轴双波导光纤1的环形芯1-1入射，同时360度激发表面等离激元，可以有效消除表面拖尾；散射光由连接相机3的同轴双波导光纤1的中间芯1-2收集，并与光源的另一束光在相机3上形成干涉图，由计算机4利用离轴数字全息算法，从光纤中提取图像的赋值和相位在计算机上还原图像，从而可以获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
2.根据权利要求1所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，所使用的同轴双波导光纤1是一种具有沿轴心对称环形波导且中间具有一个大芯径纤芯的光纤。
3.根据权利要求1所述的基于同轴双波导光纤SPR纳米显微成像装置，其特征在于，利用同轴双波导光纤1的环形芯1-1传输入射光，可以同时激发360度表面等离激元，从而消除单一方向激发表面等离激元造成成像的表面拖尾；利用同轴双波导光纤1的环形芯1-2收集后向散射光，采用光纤成像技术获得高信噪比和高分辨率的图像。
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