面向无标记生物体和纳米材料的激光泵浦探测光热超分辨显微成像

Photothermal pump probe microscopy recently attracts interests for its label-free, high-resolution and high-sensitivity, which is promising for biological, medical research and material inspection. The photothermal signal is derived from the scattered or defocused probe laser beam passing through the specimen when the sample is pumped by laser and nano-lens is generated due to the refractive index change. Compared with fluorescence microscopy, it has the advantages of label-free, high contrast ratio and less photodamage; compare with label-free imaging techniques such as photoacoustic microscopy and stimulated Raman scattering microscopy, it has high resolution and high sensitivity; compared with traditional scanning thermal microscopy, it is far-field and can detected structures beneath the surface. To achieve superresolution beyond the diffraction limit, present reports used methods of ring illumination, second harmonic detection or nano-bubble produced by high power laser to improve the imaging resolution. However, it could lead serious decrease of signal noise ratio or result in photodamage. Here we propose to establish a photothermal pump-probe microscope to investigate on enhancing the resolution of microscope and the thermal diffusion dynamics in nanoscale, based on beam shaping method. It could be a hopeful imaging method for life sciences research and nano-materials inspection.

激光泵浦探测光热显微成像是一种无标记、高分辨率和高灵敏度的成像技术，在生物医学成像和纳米材料检测领域具有广阔的应用前景。它是基于待测材料吸收泵浦光后产生纳米透镜，引发探测光散射或散焦，进而解调信号获得材料的特性信息。相比较于荧光显微成像技术，它具有无标记、高信噪比和低损伤的特点；相比较于光声、受激拉曼散射等无标记显微成像技术，它具有高分辨率和高灵敏度的特点；相比较于传统的近场扫描热显微成像技术具有非接触式和可探测表面以下结构的特点。为了获取超衍射极限的成像分辨率，目前的报道采用了环形照明、电子系统谐波探测或高能激光泵浦引发纳米泡等方法，而这会引起成像信号和对比度的大幅降低或导致成像介质的损伤。本项目拟基于自建激光泵浦探测光热显微成像装置，采用光束整形改良泵浦点的方法，对超分辨成像和纳米尺度的光热传导输运机理进行研究，为该技术在生物医学成像和纳米材料检测领域的应用，提供理论依据和技术支持。

激光泵浦探测光热显微成像是一种无标记、高分辨率和高灵敏度的成像技术，在生物医学成像和纳米材料检测领域具有应用前景。它是基于待测材料吸收泵浦光后产生纳米透镜，引发探测光散射或散焦，进而解调信号获得材料的特性信息。本项目预期采用光束整形改良泵浦点的方法，来提高成像分辨率。项目组通过自行设计和搭建激光泵浦探测光热显微成像装置，使用三束激光耦合共同作用于样品的方法，其中一束为环形空心预加热光，一束为圆形实心泵浦光，另一束为圆形实习探测光，实验验证了预加热改良泵浦点设想的正确性和可行性，对金属纳米颗粒、聚合物微球等样品进行了成像研究，横向分辨率达到一百八十纳米，通过进一步优化激光泵浦参数，将有希望获得更高分辨率的成像结果；为了降低多色成像的信号检测成本，项目组使用多束调制激光进行荧光激发，使用单个光电倍增管和单个频谱仪进行信号解调制的方式，目前已获得同时采集三百个频率通道的结果，并且通道数可以随时拓展，顺利实现了低成本的多色成像数据采集；通过使用光热泵浦探测偏转的方式，测量了煤油火焰不同位置的速度分布，对于燃烧诊断和参数测量具有一定研究价值。在本项目的资助下，以上研究内容取得的研究结果中部分已经公开发表。本项目的研究为提高光热泵浦探测成像分辨率提供了一种有效方案，对多色成像技术进行优化，并将光热泵浦探测技术进行应用拓展，相关技术将有希望在生物医学、纳米材料、等离子体检测等领域获得应用。