基于芯片等离子体散射显微技术的大视场各向同性点扩散函数纳米颗粒成像与传感研究

针对传统表面等离子体共振显微技术(SPRM)存在的空间分辨率低、视场有限、系统复杂等问题，中国科学技术大学团队提出了一种新型芯片等离子体散射显微技术(Chip-PSM)。该技术通过集成一维光子晶体(1DPC)和金膜芯片结构，实现了大视场(>1 cm2)、各向同性点扩散函数的纳米颗粒成像，可原位监测气溶胶纳米颗粒吸湿生长和钙钛矿纳米晶(CsPbX3)离子交换反应，为环境监测和纳米材料研究提供了高性价比解决方案。

　　

在纳米科学与环境健康领域，实现单纳米颗粒的无标记光学成像一直是重大技术挑战。传统表面等离子体共振显微技术(SPRM)虽能实现高灵敏度检测，但受限于非对称点扩散函数、毫米级视场和复杂光学系统，难以满足大气气溶胶监测、纳米材料反应动力学等研究需求。中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地开发出芯片等离子体散射显微镜(Chip-PSM)，通过融合微纳光子学与等离子体技术，突破了现有技术瓶颈。

关键技术包括：1) 设计一维光子晶体(1DPC)动量空间滤波器，实现表面等离子体(SPs)全向激发；2) 构建集成LED光源、TiO₂掺杂聚合物层和金膜芯片的紧凑光学系统；3) 开发硅增强型金膜传感器提升10 nm金颗粒检测限；4) 搭建动态湿度控制系统研究NaCl气溶胶颗粒(50 nm)吸湿生长；5) 采用sCMOS相机实现大视场(3.3×3.3 mm²)实时成像。

【各向同性点扩散函数与大视场特性】
通过有限时域差分(FDTD)模拟和实验验证，对比传统单向SPRM的抛物线状点扩散函数，Chip-PSM利用1DPC调控的SPs全向照明使150 nm聚苯乙烯颗粒成像呈现完美圆对称性(图1d,2c)。采用10×/0.3 NA空气物镜时，视场扩展至1.32×1.32 mm²，可同时捕获数百根银纳米线(50 nm线宽)(图2g-h)。

【纳米颗粒定量检测】
建立40-200 nm聚苯乙烯颗粒散射强度标定曲线，发现大颗粒(d>90 nm)强度符合d^5.8规律，小颗粒则遵循d³关系(图3b)，揭示干涉项2|E_b||E_s|cos(φ)主导小颗粒检测的物理机制。

【气溶胶吸湿生长原位监测】
通过微分迁移分析器筛选50 nm NaCl颗粒，在动态湿度腔(60-87% RH)中观察到77%相对湿度时的显著强度跃变(图4d)，与气溶胶无机模型预测的潮解阈值一致，证实技术对大气PM_2.5研究的适用性。

【纳米材料反应动力学】
在硅增强金膜芯片上，首次实现10 nm钙钛矿纳米晶(CsPbI₃)的HCl/HI蒸气离子交换过程光学追踪(图5d-f)，散射强度变化反映Cl^-/I^-置换导致的折射率改变，为光伏材料优化提供新工具。

该研究通过芯片化设计将传统SPRM系统体积缩减90%，成本降低至商业系统的1/10。各向同性点扩散函数解决了纳米线取向依赖的成像失真问题(图2d-f)，而毫米级视场支持高通量生物细胞动态观测(电影S2)。未来通过集成手机成像模块(补充章节9)，技术可进一步发展为便携式环境监测设备。研究团队指出，当前1 W/cm²的LED光强限制了对<30 nm颗粒的检测灵敏度，采用微透镜阵列聚焦有望突破此限制，推动技术在病毒检测等领域的应用。