近日，中科院上海微系統(tǒng)所信息功能與材料國家重點實驗室硅光課題組武愛民研究員團隊，在硅襯底上提出了基于布洛赫表面波新原理的顯微光譜測量方法，研究成果發(fā)表在2021年10月出版的Wiley旗下期刊《Small》上(small 2103688 (2021)。微區(qū)光譜測量系統(tǒng)是一種重要的微米/納米級結(jié)構(gòu)的光譜分析手段，不僅保持了在微區(qū)成像的特點，還可以采集分析微區(qū)的光譜特性，在化學(xué)/生物分析，環(huán)境檢測及高分辨成像等領(lǐng)域具有重要的作用。

基于光柵分光和干涉機理的光譜儀和顯微鏡相結(jié)合的顯微光譜儀在靈敏度、量程和分辨率等方面具有較大的優(yōu)勢，但是總體而言，顯微光譜儀在體積、響應(yīng)速度上仍有很大的改進空間，尤其是針對一些便攜和多功能集成的應(yīng)用場合。表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR）由于其對周圍分析物的折射率靈敏等優(yōu)勢，可用做定量或定性測量生物分子間相互作用，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及藥物檢測等多個領(lǐng)域，然而由于其波長靈敏性不高，難以在實時生物傳感的同時實現(xiàn)光譜信號的測量。

在課題組最新發(fā)表的工作中，我們采用了硅基表面激發(fā)的布洛赫表面波（Bloch surface wave, BSW）巧妙的實現(xiàn)了光譜的測量。布洛赫表面波可以在多層介質(zhì)膜與周圍環(huán)境的界面處激發(fā)獲得，具有低損耗，寬色散域，和CMOS兼容等優(yōu)勢。與表面等離激元相比，布洛赫表面波的共振角隨波長的變化更加靈敏。本工作利用支持布洛赫表面波的多層介質(zhì)膜芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵和干涉機理的單色儀系統(tǒng)，可在實現(xiàn)成像的同時進行光譜測量，在實驗上分別實現(xiàn)了單峰和多峰光譜的重構(gòu)，分辨率和量程分別為2 nm和130 nm。實驗中利用單個納米顆粒激發(fā)布洛赫表面波，可調(diào)諧激光器測量不同波長下激發(fā)的BSW的角譜分布作為先驗矩陣，并利用智能算法，將未知光譜的角譜信號代入到先驗數(shù)據(jù)中，即可重構(gòu)待測的光譜信號。本工作提出了一種基于超緊湊的硅基襯底實現(xiàn)的新型顯微光譜測量方法，納米顆粒替換為其它待測信號，可為生物分子，病毒等的光譜測量提供一種新的思路，可潛在應(yīng)用于生物成像，醫(yī)療傳感及高光譜成像等領(lǐng)域，為硅光集成在更廣闊的傳感應(yīng)用進行了拓展。

圖1:  布洛赫表面波調(diào)制的光譜測量機理

本文第一作者為上海微系統(tǒng)所王茹雪副研究員，通訊作者為武愛民研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年基金（61905269, 62005305），中科院青年促進會（2021232），國家科技重大專項等項目的支持。這是該課題組近期在硅光傳感新機理領(lǐng)域發(fā)表的系列工作之一。此前，基于布洛赫表面光場的非對稱傳輸特性實現(xiàn)超靈敏位移測量的方法在Nanoscale上被作為封面文章報道。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103688?af=R