上海微系统所实现硅基布洛赫表面波调制的显微光谱测量方法

?

近日，中科院上海微系统所信息功能与材料国家重点实验室硅光课题组武爱民研究员团队，在硅衬底上提出了基于布洛赫表面波新原理的显微光谱测量方法，研究成果发表在2021年10月出版的Wiley旗下期刊《Small》上(small 2103688 (2021)。微区光谱测量系统是一种重要的微米/纳米级结构的光谱分析手段，不仅保持了在微区成像的特点，还可以采集分析微区的光谱特性，在化学/生物分析，环境检测及高分辨成像等领域具有重要的作用。

基于光栅分光和干涉机理的光谱仪和显微镜相结合的显微光谱仪在灵敏度、量程和分辨率等方面具有较大的优势，但是总体而言，显微光谱仪在体积、响应速度上仍有很大的改进空间，尤其是针对一些便携和多功能集成的应用场合。表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR）由于其对周围分析物的折射率灵敏等优势，可用做定量或定性测量生物分子间相互作用，被广泛应用于生物医学、环境科学及药物检测等多个领域，然而由于其波长灵敏性不高，难以在实时生物传感的同时实现光谱信号的测量。

在课题组最新发表的工作中，我们采用了硅基表面激发的布洛赫表面波（Bloch surface wave, BSW）巧妙的实现了光谱的测量。布洛赫表面波可以在多层介质膜与周围环境的界面处激发获得，具有低损耗，宽色散域，和CMOS兼容等优势。与表面等离激元相比，布洛赫表面波的共振角随波长的变化更加灵敏。本工作利用支持布洛赫表面波的多层介质膜芯片代替传统的光栅和干涉机理的单色仪系统，可在实现成像的同时进行光谱测量，在实验上分别实现了单峰和多峰光谱的重构，分辨率和量程分别为2 nm和130 nm。实验中利用单个纳米颗粒激发布洛赫表面波，可调谐激光器测量不同波长下激发的BSW的角谱分布作为先验矩阵，并利用智能算法，将未知光谱的角谱信号代入到先验数据中，即可重构待测的光谱信号。本工作提出了一种基于超紧凑的硅基衬底实现的新型显微光谱测量方法，纳米颗粒替换为其它待测信号，可为生物分子，病毒等的光谱测量提供一种新的思路，可潜在应用于生物成像，医疗传感及高光谱成像等领域，为硅光集成在更广阔的传感应用进行了拓展。

图1: ?布洛赫表面波调制的光谱测量机理

本文第一作者为上海微系统所王茹雪副研究员，通讯作者为武爱民研究员。该研究得到了国家自然科学基金青年基金（61905269, 62005305），中科院青年促进会（2021232），国家科技重大专项等项目的支持。这是该课题组近期在硅光传感新机理领域发表的系列工作之一。此前，基于布洛赫表面光场的非对称传输特性实现超灵敏位移测量的方法在Nanoscale上被作为封面文章报道。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103688?af=R