一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法和装置

技术领域

本发明涉及纳米颗粒检测技术领域，尤其涉及一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法和装置。

背景技术

随着科学技术的进步，人类的研究领域向微观世界逐步前进，碳纳米管、量子点、病毒等纳米颗粒引起了人们越来越多的关注。在对物质研究中，对物质形状、尺寸等形貌特性的测量是研究的基础。对常规物质，形貌检测通常是利用直接照相或者显微镜观测等光学成像方法实现的。然而，光学成像方法的分辨率受光学衍射极限的限制，光学显微镜也无法测量尺寸小于200纳米的物质。因此，对纳米颗粒的形貌检测需要采用新的研究手段。

现有的能实现对纳米颗粒形貌探测的方法主要包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、以及扫描隧道显微镜(STM)等。

其中，透射电子显微镜是目前精度最高的探测手段，它与光学显微镜的原理基本相同，主要区别在于它采用电子波作为光源，用电磁场作为透镜实现成像。由于电子波的波长远小于光波，其分辨率不再受到光学衍射极限的限制，可达0.2纳米。然而由于电子穿透能力很弱，它的探测样品必须非常薄，通常被测标本必须制成50nm的超薄切片，并且检测过程需要真空环境，这些均限制了透镜电镜的应用。

扫描电子显微镜同样利用电子波作为探测源实现成像，但是它通过采用级细的电子束依次扫描样品，通过分析电子束在样品表面激发的次级电子实现探 测。目前扫描电镜的分辨率可达几纳米量级，是目前应用最广的超高分辨率探测手段之一。但是扫描电镜体积巨大，它要求被测样品具有导电性，或者需要在样品表面镀一层金属颗粒，且同样要去在真空环境下测量，为其应用增加了一些限制。

原子力显微镜(AFM)利用纳米尺寸的针尖与样品表面的轻微作用力，对样品表面进行逐点扫描实现检测，其检测分辨率取决于针尖的尺寸。与其它检测手段比较，原子力显微镜不需要真空环境，且可以用于检测绝缘体样品，但它同样具有扫描时间长、操作复杂、可能损坏被测样品等缺陷。

扫描隧道显微镜(STM)利用探针与样品表面产生电子隧穿效应，利用隧道电流获取样品表面信息，具有原子量级的高分辨率，但是这种显微镜也要求样品具有导电性，且成像时间较长。

因此，上述可用于纳米颗粒形貌检测的方法或者对样品要求严格；或者扫描时间长，无法快速获得检测结果；或者需要真空操作，成本高、体积大等缺陷。

发明内容

本申请提供一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法和装置，解决了现有技术中的检测方法对样品要求严格，扫描时间长，无法快速获得检测结果，需要真空操作，成本高、体积大的技术问题。

本申请提供一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法，所述方法包括：

在金薄膜上附着所述纳米颗粒；

在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射；

所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空间频域；根据所述空间频域的能量分布，获得所 述纳米颗粒的形貌。

优选地，所述根据所述空间频域的能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌，具体包括：

将所述空间频域分布减去同等实验条件下没有纳米颗粒时的空间频域分布，得到信号光频域能量分布；

根据所述信号光频域能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

优选地，所述在所述金薄膜表面激发表面等离激元通过油浸物镜、棱镜耦合或金属结构实现波矢匹配的方式实现。

优选地，在所述在所述金薄膜表面激发表面等离激元之前，所述方法还包括：

光源发出的光经过扩束整形会聚后，以p偏振态聚焦到油浸物镜的后焦平面；

调节入射光在油浸物镜的后焦平面上的位置，使入射光以平行光的形式斜入射到镀有所述金薄膜的盖玻片上。

优选地，在所述在所述金薄膜表面激发表面等离激元之前，所述方法还包括：

光源发出的光经由透镜组及线偏振器后，入射到棱镜上，以在所述金薄膜表面激发表面等离激元。

优选地，所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空间频域，具体包括：

所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光经由分束镜分束获得第一光束和第二光束；

所述第一光束被位于傅里叶平面的所述第一光电探测器接收，获得所述空间频域；

所述方法还包括：

所述第二光束被位于像平面的第二光电探测器接收，获得空间强度分布。

本申请还提供一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的装置，所述装置包括：

金薄膜，附着有所述纳米颗粒；

激发设备，用于在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射

成像设备，包括位于傅里叶平面的第一光电探测器，所述第一光电探测器接收所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光，获得空间频域；

处理器，用于根据所述空间频域的能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

优选地，所述处理器具体用于：将所述空间频域分布减去同等实验条件下没有纳米颗粒时的空间频域分布，得到信号光频域能量分布；并根据所述信号光频域能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

优选地，所述成像设备还包括第二光电探测器和分束镜，所述第二光探测器位于像平面内；

所述分束镜用于将所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光分束，获得第一光束和第二光束；

所述第一光电探测器具体用于接收所述第一光束，获得所述空间频域；

所述第二光电探测器用于接收所述第二光束，获得空间强度分布。

优选地，所述激发设备包括光源、线偏振器、薄膜分束器、油浸物镜和盖玻片，所述金薄膜设置在所述盖玻片上，所述光源发出的光经由所述线偏振器实现p偏振态后，再由所述薄膜分束器反射，入射到所述油浸物镜上，再入射到所述盖玻片上，以在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射。

本申请有益效果如下：。

上述方法通过在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射；所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空间频域； 根据所述空间频域的能量分布，即可获得所述纳米颗粒的形貌，该方法具有快速实时、不需要真空环境，检测样品可以为非导电物品、成本低的优势，既可以弥补光学显微镜无法对纳米物质成像的不足，同时也补偿了电子显微镜等传统纳米显微仪器检测时间长、成本高、真空操作等缺点，解决了现有技术中的检测方法对样品要求严格，扫描时间长，无法快速获得检测结果，需要真空操作，成本高、体积大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请较佳实施方式一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法的流程图；

图2为图1中的方法采用的装置的结构示意图；

图3为图1中的方法采用的另一装置的结构示意图；

图4为图1中的方法采用的又一装置的结构示意图；

图5为采用图1中的检测方法对60纳米球形金颗粒发生的散射场分布图和空间频域分布图；

图6为采用图1中的检测方法对60纳米正方体金颗粒发生的散射场。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

图1为本申请较佳实施方式一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的方法的流程图。所述方法采用的图2所示的装置执行。所述装置包括激 发设备10、金薄膜20和成像设备30。所述方法包括以下步骤。

步骤110，在金薄膜上附着所述纳米颗粒。所述纳米颗粒为待检测的纳米颗粒，所述纳米颗粒可以为球形、正方体形、圆柱形等规则形状或其它不规则形状。

步骤120，在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射。

激发表面等离激元可以利用油浸物镜、棱镜耦合或金属结构实现波矢匹配的方式。首先对通过油浸物镜的方式激发表面等离激元的方式进行介绍。

具体地，在通过油浸物镜的方式激发表面等离激元时，如图2所示，所述激发设备10包括光源210、线偏振器220、薄膜分束器230、油浸物镜240和盖玻片250。对应地，在步骤120之前，所述方法还包括：

步骤310，光源发出的光经过扩束整形会聚后，以p偏振态聚焦到油浸物镜的后焦平面。也就是说，该方法采用的是Kretschmann结构，利用油浸物镜耦合的方式，使用油浸作为波矢补偿手段。所述光源210具体为激光器或发光二级管。油浸物镜耦合的方式的优点在于：可以使入射光与反射光平行，通过改变入射光在油浸物镜后焦平面上的位置，调节激发表面等离激元的入射角，将角度调节转化为简便的一维长度调节，使装置结构紧凑、稳定。

具体地，所述光源210发出的光经由所述线偏振器220实现p偏振态后，再由所述薄膜分束器230反射。在本实施方式中，所述光的波长范围为355纳米～800纳米。在本实施方式中，所述油浸物镜的数值孔径范围NA＝1.0～1.7，并且以平行光斜入射激发表面等离激元，可以保证大于100微米的大成像视野。

步骤320，调节入射光在油浸物镜240的后焦平面上的位置，使入射光以平行光的形式斜入射到镀有金薄膜的所述盖玻片250上，当满足波矢匹配的条件时，表面等离激元将在金属与非入射光方向介质交界面产生，并沿着金属薄膜表面传输。当金薄膜表面附近存在纳米颗粒时，传播的表面等离激元将与纳米颗粒发生散射作用，引起表面等离激元场分布改变。调节所述入射光斜入射 到所述盖玻片上的入射角，可以激发出最强的表面等离激元，此时对应最弱的反射光。优选地，所述入射光斜入射到所述盖玻片上的入射角范围为30度-60度。

表面等离激元在金薄膜表面被激发之后，沿金薄膜表面传播，在金薄膜表面附着纳米颗粒时，表面等离激元在传播过程中遇到纳米颗粒会发生散射。

基于普通电磁波与颗粒的散射作用实现颗粒探测的常见手段，如粒子探测器，半导体芯片污染检测仪等等。当颗粒半径远小于电磁波波长(如纳米颗粒)时，由Mie理论可知，产生的散射场表现为以纳米颗粒为源点的球面波的形式，散射场强度与颗粒半径的六次方成反比。因此无法从此过程探知颗粒的形状信息，并且散射信号强度将随着颗粒的减小迅速减小，导致小颗粒探测十分困难，人们只能采用高功率激光器进行探测。而表面等离激元与纳米颗粒的散射过程表现出一些新的特点：首先，表面等离激元为强局域场，其能量全部分布在金属-介质界面附近，因此弱激发光就能产生相对很强的散射信号；其次，由于表面等离激元为平面波，散射信号强度直接与颗粒尺寸一次方成反比，降低了小颗粒探测的难度；再次，由于表面等离激元的平面波特性，散射场也主要分布在金属薄膜界面附近，而且其空间频谱密度分布受颗粒形状、尺寸等信息的影响。

在其它实施方式中，可通过棱镜耦合的方式激发表面等离激元，在通过棱镜耦合的方式激发表面等离激元时，如图3所示，所述激发设备10包括光源410、透镜组420和棱镜430，光源410发出的光经由所述透镜组420及线偏振器后，入射到所述棱镜430上，以在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射。

步骤130，所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空间频域。

步骤140，根据所述空间频域的能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

表面等离激元散射场空间频域分布的探测是本方法实现的必要步骤，然而 它面临两大难题：表面等离激元散射场同样具有强局域性，仅分布在金属薄膜界面附近，难以探测；表面等离激元散射场空间频域分布可以通过对表面等离激元散射场频域变换获得，而光电探测器仅能探测到散射场强度信息，难以探测相位信息。常规的表面等离激元场分布探测主要是利用近场光学显微镜，在金属薄膜附近近场逐点扫描实现。但这种方法探测速度较慢，且无法解决后一个问题。

针对此问题，本专利基于表面等离激元激发的逆过程，并结合光学透镜的傅里叶变换特性，给出频谱能量分布直接探测的方案。具体原理如下：作为可见光激发表面等离激元的逆过程，表面等离激元界面散射在传播过程中转化为光信号，并包含于反射光中。因此，对反射光进行接收，并采用所述成像设备30的第一光电探测器270对傅里叶平面进行接收，并对成像数据的空间频域进行能量分布分析，即可获得所述纳米颗粒的形貌。

具体地，在获得所述空间频域后，可通过所述空间频域减去同等条件下没有纳米颗粒时的空间频域，以消除反射光及杂散光成分的影响，得到信号光频域能量分布，再根据信号光频域能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

另外，考虑散射表面等离激元空间场分布也含有一些信息，所述装置还包括第二光电探测器260和分束镜280，所述步骤130具体包括：

所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光经由分束镜分束获得第一光束和第二光束；

所述第一光束被所述第一光电探测器270接收，获得所述空间频域；

所述方法还包括：所述第二光束被位于像平面的第二光电探测器260接收，获得空间强度分布。

图5为采用图1中的检测方法对60纳米球形金颗粒发生的散射场分布图和空间频域分布图；图6为采用图1中的检测方法对60纳米正方体金颗粒产生的散射场。从图5和图6可知，纳米颗粒形状特性将影响了散射场空间频谱分布，通过分析空间频域的能量分布，即可或者纳米颗粒的形貌。

上述方法通过在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射；散射波空间频谱分布受纳米颗粒形貌影响，所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空间频域；根据所述空间频域的能量分布，即可获得所述纳米颗粒的形貌，该方法具有快速实时、不需要真空环境，检测样品可以为非导电物品、成本低的优势，既可以弥补光学显微镜无法对纳米物质成像的不足，同时也补偿了电子显微镜等传统纳米显微仪器检测时间长、成本高、真空操作等缺点，解决了现有技术中的检测方法对样品要求严格，扫描时间长，无法快速获得检测结果，需要真空操作，成本高、体积大的技术问题。

实施例二

基于同样的发明构思，本申请还提供一种利用表面等离激元散射频谱检测纳米颗粒形貌的装置。

如图2所示，所述装置包括激发设备10、金薄膜20、成像设备30和处理器290。

所述金薄膜20上附着所述纳米颗粒。所述激发设备10用于在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射。

所述激发设备10可以采用油浸物镜、棱镜耦合或金属结构实现波矢匹配来激发表面等离激元。首先对采用油浸物镜的激发设备10进行介绍。

具体地，如图2所示，所述激发设备10包括光源210、线偏振器220、薄膜分束器230、油浸物镜240和盖玻片250。

具体地，所述光源210发出的光经由所述线偏振器220实现p偏振态后，再由所述薄膜分束器230反射，入射到所述油浸物镜240上。

调节入射光在油浸物镜240的后焦平面上的位置，使入射光斜入射到所述盖玻片250上，当满足波矢匹配的条件时，表面等离激元将在金属与非入射光方向介质交界面产生，并沿着金属薄膜表面传输。当金薄膜表面附近存在纳米 颗粒时，传播的表面等离激元将与纳米颗粒发生散射作用，引起表面等离激元场分布改变。

表面等离激元在金薄膜表面被激发之后，沿金薄膜表面传播，在金薄膜表面附着纳米颗粒时，表面等离激元在传播过程中遇到纳米颗粒会发生散射，散射波空间频谱分布受纳米颗粒形貌影响。

在其它实施方式中，可通过棱镜耦合的激发设备10激发表面等离激元。如图3所示，所述激发设备10包括光源410、透镜组420和棱镜430，光源410发出的光经由所述透镜组420后，入射到所述棱镜430上，以在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射。

所述成像设备30包括位于傅里叶平面的第一光电探测器270。所述第一光电探测器270用于接受所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光，获得空间频域。

所述处理器290根据所述空间频域的能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

具体地，所述处理器290具体用于：将所述空间频域分布减去同等实验条件下没有纳米颗粒时的空间频域分布，得到信号光频域能量分布；并根据所述信号光频域能量分布，获得所述纳米颗粒的形貌。

进一步地，考虑散射表面等离激元空间场分布也含有一些信息，所述成像设备还包括第二光电探测器260和分束镜280，所述第二光探测器260位于像平面内，所述分束镜280用于将所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光分束，获得第一光束和第二光束。

所述第一光束被第一光电探测器270接收，获得空间频域。

第二光电探测器260用于接收所述第二光束，获得空间强度分布。

上述装置通过激发设备在所述金薄膜表面激发表面等离激元，所述表面等离激元沿金薄膜表面传播，与所述纳米颗粒发生散射；所述表面等离激元散射转化为光信号与反射光一起被位于傅里叶平面的第一光电探测器接收，获得空 间频域；根据所述空间频域的能量分布，即可获得所述纳米颗粒的形貌，采用该装置进行检测具有快速实时、不需要真空环境，检测样品可以为非导电物品、成本低的优势，既可以弥补光学显微镜无法对纳米物质成像的不足，同时也补偿了电子显微镜等传统纳米显微仪器检测时间长、成本高、真空操作等缺点，解决了现有技术中的检测方法对样品要求严格，扫描时间长，无法快速获得检测结果，需要真空操作，成本高、体积大的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。