Nieuwe momentum-ruimte-polarisatiefilters maken nano-beeldvorming met een hoge signaal-ruisverhouding mogelijk

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zhang Dongguo van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft een optische module ontwikkeld die bestaat uit gecascadeerde momentum-ruimte-polarisatiefilters op basis van vectorlichtveldmodulatie.

De methode kan achtergrondruis efficiënt onderdrukken en optische microscopiebeelden met een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van individuele nano-objecten vastleggen. De studie werd gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Nauwkeurige beeldvorming van de evolutie en het bewegingsgedrag van individuele nano-objecten, zoals ultrafijne atmosferische deeltjes, is cruciaal voor het begrijpen van hun eigenschappen en functionaliteiten. Labelvrije optische microscopie wordt veel gebruikt bij de beeldvorming en detectie van nanodeeltjes vanwege de unieke niet-destructieve, niet-invasieve en snelle detectie-eigenschappen.

Voor individuele nanodeeltjes in de lucht neemt hun lichtverstrooiingsintensiteit echter scherp af met hun deeltjesgrootte tot de zesde macht. Als gevolg hiervan is de intensiteit van het verstrooide licht veel zwakker dan de achtergrondruis, waardoor het voor conventionele labelvrije optische microscopen een uitdaging wordt om hoge SNR-beeldvorming van individuele nanodeeltjes te bereiken.

Om dit probleem aan te pakken, heeft het team van prof. Zhang een momentum-ruimte-polarisatiefilter ontworpen, dat kan worden gebruikt om de vectorveldpolarisatie te moduleren. Alleen verstrooiend licht van afzonderlijke nano-objecten kan door het filter gaan en door de detector worden opgevangen, terwijl verschillende achtergrondgeluiden substantieel worden gefilterd en onderdrukt, waardoor een hoog contrast en hoge SNR-beeldvorming van nano-objecten wordt bereikt.

Om de toepassing van het filter aan te tonen, werd het geïnstalleerd aan de uitgang van een totale interne reflectiemicroscopie (TIRM). Na installatie van het filter werd TIRM omgezet in een zwartveldmicroscopie, die minder (zwartere) achtergrondruis en een hogere detectiegevoeligheid heeft vergeleken met conventionele labelvrije zwartveldmicroscopie.

De zwartveldmicroscopie kan optische microscopiebeelden met hoge SNR en hoog contrast van afzonderlijke eiwitmoleculen, gouden nanodeeltjes en perovskiet-nanokristallen in realtime vastleggen.

Bovendien ondergaan afzonderlijke perovskiet-nanokristallen, door achtereenvolgens HCl- en HI-damp te introduceren, anionenuitwisselingsreacties, die veranderingen in de morfologie en brekingsindex van de nanokristallen veroorzaken, resulterend in variaties in de verstrooide lichtsignalen van de individuele nanokristallen.

De black-field microscopie kan dit proces in realtime registreren, waardoor een nieuwe fotonische technologie ontstaat voor de realtime detectie van de fysische en chemische reacties die optreden tijdens de evolutie van eigenschappen in individuele nano-objecten.

Het opvallende kenmerk van het impuls-ruimte-polarisatiefilterapparaat is het vermogen om conventionele labelvrije optische microscopie te bieden, zoals oppervlakte-plasmonresonantiemicroscopie (SPRM), TIRM en andere optische microscopie in het nabije veld, met mogelijkheden voor zwartveldbeeldvorming zonder het veranderen van de interne structuur van de microscopen, waardoor hun gevoeligheid bij het detecteren van afzonderlijke nano-objecten aanzienlijk wordt vergroot.

Het team ontwikkelde een black-field-microscopie die een nieuw platform biedt voor de analyse van individuele nanodeeltjes, die veelbelovende toepassingsmogelijkheden hebben in de biologie, natuurkunde, milieuwetenschappen en materiaalkunde.