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COL 封面故事 (Vol. 21, Iss. 10): 球壳结构金纳米颗粒的光热非线性散射及超分辨定位成像

发布:lina000288阅读:268时间:2024-1-23 10:40:51

封面|球壳结构金纳米颗粒的光热非线性散射及超分辨定位成像

 

等离激元纳米颗粒光热非线性的突破与挑战

 

光学显微技术经历了衍射受限的普通光学显微镜、到突破衍射极限的荧光超分辨显微以及非荧光、无标记等多种超分辨光学显微术的发展历程。其中基于局域等离激元纳米颗粒非线性散射的超分辨成像是当前的研究热点,并成功应用于生物细胞成像。然而在研究中发现,局域等离激元金纳米颗粒具有严重的局部热效应,颗粒间易发生聚集耦合,高功率下高温易融化等问题,严重影响成像结果和实际应用。

 

纳米颗粒的光热效应与周围环境的散热能力密切相关。因此,研究局部导热环境在等离激元颗粒非线性散射中的关键作用,并进一步拓展其基于等离激元颗粒非线性散射的超分辨成像具有重要的现实意义。

 

球壳结构的金纳米颗粒

 

暨南大学李向平教授团队提出了二氧化硅包覆金(Au@SiO2)球壳颗粒的策略,改善金纳米颗粒容易聚集耦合、高功率光强照射下易融化等缺点,研究了等离激元金纳米颗粒基于光热效应的非线性饱和散射机理,并围绕非荧光机制的超分辨成像中进行了深入探索,实现了对亚波长球壳纳米颗粒高达52纳米成像线宽(λ/10)的远场超分辨成像结果,以及间距为5纳米的二聚体球壳颗粒分辨能力。相关工作发表于Chinese Optics Letters 2023年21卷第10期(Tianyue Zhang, Zhiyuan Wang, Xiangchao Zhong, Ying Che, Xiangping Li. Photothermal nonlinear scattering of shell-isolated gold nanoparticles and applications in super-resolution imaging[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(10): 103601),被遴选为该期封面。

 

Chinese Optics Letters 2023年第10期封面图

 

封面中团聚在一起的球壳金纳米颗粒显示了出色的光热稳定性和光热非线性,在双光束散射抑制成像(SUSI)显微镜中实现超分辨成像。

 

原理:金纳米颗粒经入射光场聚焦照射作用,因光热效应导致温度显著上升。当温度达到某一阈值时,金的介电常数不再是恒定的常量,而是依赖于温度发生变化,导致纳米颗粒的光热升温与激发光强偏离线性关系。材料光学常数的变化反过来进一步影响等离激元共振模式的强度,进而实现散射信号的全光动态调制过程。结合双光束激发对散射强度的抑制及对成像点扩展函数的调制,实现了基于饱和非线性散射机制的光学超分辨成像。

 

图1 (a)不同局部微环境中金纳米颗粒的光热效应示意图,(顶部:浸没在油中;中间: 封装在SOG材料中;底部: 包裹SiO2壳层),(b)波长为532 nm的连续光激发下,不同样品的散射强度与入射光强的非线性依赖性(c)间距为5nm的Au@SiO2颗粒,其SEM、共聚焦显微镜以及超分辨成像结果图

 

金纳米颗粒光热非线性散射效率与所处局部环境的散热情况密切相关,文章详细介绍了实验的具体步骤和结果。研究人员为直径70 nm的金纳米球颗粒构建了五种不同导热系数的局部微环境:浸没在折射率匹配油中、包裹在不同厚度的二氧化硅壳层中(壳层厚度分别为10 nm, 23 nm, 40 nm),以及封装在固体玻璃(Spin-on Glass,SOG)中,并对其饱和散射实验现象进行对比。所有样品中,金纳米颗粒的周围环境介质折射率均相同,因此等离激元共振性质保持了一致性。而实验中观测到不同的非线性散射性质则来源于不同局部环境的导热系数差异。

 

实验结果表明,包裹SiO2壳层的金纳米颗粒表现出良好的光热稳定性。通过包裹 SiO2 层可以有效地改善颗粒的局部散热,减少热量的积累,避免金核在高功率光照下融化,也为后续的超分辨成像提供了更好的基础。对于球壳颗粒的二聚体结构可以实现间隙距离(gap)为5 nm的分辨能力。相比于没有包覆的金颗粒,Au@SiO2不仅提高了超分辨结果,同时通过SiO2层可以有效地避免颗粒之间的等离激元耦合对超分辨成像的影响。

 

研究人员表示,该技术属于非荧光标记的超越衍射极限的成像技术,对于超分辨光学成像的新原理和新技术的发展做出了积极推进,研究结果有望应用于生物组织、细胞等微观结构的成像,有助于研究生物学过程和疾病的发生机制。