基于表面等离激元散射频谱的纳米颗粒形貌检测方法研究

Real-time biomolecules inspection plays an important role to the development of bioscience. Traditional optical inspection methods cannot break the diffraction limit and fail to detect the viruses and some protein molecules, whose size is several tens nanometers. High resolution inspection methods, on the other hand, cannot provide real-time information. Both the field enhancement and high sensitivity to refractive index distribution make surface plasmons competitive for their potential applications in biosensor. This project proposes a new method of nanoparticle feature identification based on surface plasmon scattering spatial frequency spectra analysis. By investigating the mechanism of surface plasmon scattering and experimental demonstration, the inspection mechanism is revealed, the relationship between spatial frequency spectra distribution and nanoparticle shape is developed. The study of nanoparticle feature identification method will provide a potential way to in situ observe the dynamic change of nanometer biomolecules.

实时探测病毒等几十纳米量级尺寸小生物分子一直是生物科学研究的难题，这要求探测方法同时具备高分辨率及实时性的特点。传统的光学检测技术均无法满足在微纳尺度上探测分子颗粒状态的要求；而现有的高分辨率检测方案耗时较长，不能实时描述分子形貌变化过程。本项目创新地提出基于表面等离激元散射过程实时检测纳米颗粒形貌信息的方法，该方法基于散射过程中颗粒形貌对散射场空间频谱分布的影响，结合表面等离激元极强局域场分布特征，能实现纳米量级颗粒尺寸及形状的实时测量。基于此方案，项目揭示了纳米颗粒引起表面等离激元散射过程的物理机制，并拟实现实验验证，为实时检测生物小分子状态变化提供潜力解决方案。

对病毒等纳米颗粒实时成像探测在生物学研究有着广泛的应用需求，现有的高分辨率检测手段均耗时较长或需要复杂的处理过程，无法实现实时探测。本项目以基于表面等激元散射实现单个纳米颗粒实时成像探测为目标，完成了表面等离激元散射过程理论分析、散射成像方案设计、以及单个纳米颗粒成像等工作。理论上，发现表面等离激元强局域场中颗粒极化是产生强散射场的根本原因，颗粒形状将影响极化颗粒中震荡电荷分布，从而改变散射场分布。项目提出基于泄露辐射的表面等离激元散射成像探测方案，通过减除反射图像背景噪声，得到散射图形分布。利用本方案成功实现多种单个纳米颗粒空域及频域成像，成功探测低至39纳米聚苯乙烯纳米颗粒。在此基础上，项目进行了对自然界存在纳米颗粒的成像实验，完成了对溶液中单个50纳米T4噬菌体病毒以及单向维度几十纳米麦秆纤维的成像探测，验证了本方案在生物探测及纳米粒子精确计数的可行性。