微球辅助偏振光超分辨成像技术揭示取向银纳米线阵列的光学各向异性

推荐：本研究针对传统光学显微镜受衍射极限限制的问题，通过微球辅助显微镜技术（MAM）结合偏振光调控，实现了对取向银纳米线（AgNW）阵列的超分辨成像。研究发现，30 μm二氧化硅微球可使系统分辨率提升2-2.7倍（达340 nm），并首次通过TE/TM偏振对比揭示了AgNW的局域表面等离子体共振（LSPR）特性。该技术为无标记纳米结构表征提供了新思路。

　　

在纳米科技迅猛发展的今天，光学显微镜的衍射极限（约λ/2）成为观察纳米结构的瓶颈。虽然荧光超分辨技术（如STED、STORM）已突破这一限制，但其依赖荧光标记的特性可能导致光毒性和光漂白，且样本制备复杂。微球辅助显微镜（Microsphere-Assisted Microscopy, MAM）作为一种无标记技术，自2011年问世以来备受关注，但其分辨率提升机制仍存在争议，且鲜有研究探索其在偏振光下对等离子体纳米结构的成像能力。

针对这一科学空白，来自法国的研究团队在《Optics》发表论文，首次将MAM与偏振光调控结合，系统研究了取向银纳米线（AgNW）阵列的光学响应。研究人员通过自制光学系统，采用30 μm二氧化硅微球，结合TE/TM偏振光调控，实现了对电子束光刻（EBL）制备的AgNW阵列（周期340 nm）的清晰成像，分辨率较传统显微镜提升2-2.7倍。

关键技术包括：1）通过层间组装和掠入射喷涂（GIS）制备取向AgNW单层；2）电子束光刻制备周期可控的AgNW光栅；3）搭建含压电定位的MAM系统，定量分析微球放大率与对比度关系；4）结合RCWA模拟和紫外-可见光谱解析LSPR偏振特性。

3.1 放大率与对比度优化
通过校准光栅标定系统，发现微球在×7放大率时对比度最佳。压电定位技术实现10 nm级精度调节，测得MAM系统分辨率达340 nm（传统显微镜为600-800 nm）。

3.2 偏振依赖的MAM分辨率
TE偏振（电场平行纳米线）激发纵向LSPR模式，反射率显著高于硅基底，使340 nm周期光栅清晰可见；TM偏振（电场垂直纳米线）激发横向LSPR模式（362 nm吸收峰），因反射率与硅相近导致成像对比度消失。GIS制备的AgNW因取向不均，仅能观测到聚集体而非单根纳米线。

这项研究不仅证实MAM在无标记成像中的实用性，更通过偏振调控揭示了AgNW的光学各向异性。相比STED（20 nm分辨率）和SIM（需多重图像重建），MAM在分辨率（340 nm）与操作简易性间取得平衡，为半导体计量和活细胞成像提供了新工具。未来通过减小微球尺寸和使用浸没物镜，分辨率有望进一步提升。研究由Farid Mahfoud、Christophe Cordier等合作完成，数据可通过通讯作者获取。