偏光显微镜的光路系统（单颗粒偏振光散射暗场显微镜精确成像研究）

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

各向异性纳米材料，如金纳米棒（AuNRs），由于其依赖于角度的表面等离激原共振散射特性，可以用作定向传感器。然而，多种外界因素会影响各向异性纳米材料的暗场光散射成像，导致信号不稳定，这不利于纳米材料的进一步应用。近日，西南大学的王健教授（点击查看介绍）和黄承志教授（点击查看介绍）团队通过单颗粒偏振成像分析，分析了偏振成像分析中的规律，提出了校正单颗粒成像的方法，解决了外界因素对单颗粒成像的影响，提高了成像的准确度。

在本工作中，使用传统的暗场显微镜通过偏振激发了几种不同角度的AuNRs的局域表面等离子体共振（LSPR）特性，发现不同偏振角下AuNRs光散射强度（I）与没有偏振器时的光散射强度（I0）比率反映了AuNR的取向信息。实验考查了相同径向比的金纳米棒在不同角度的散射光，发现散射光强度有很大的差别。为此，实验总结了不同偏振角下AuNRs光散射强度与没有偏振器时的光散射强度比率存在余弦函数关系，通过该余弦函数，可以准确判断每个金纳米棒的取向 (图1)。

图1金纳米棒的单颗粒偏振光散射成像与其取向。

此外，平行偏振（Ip）和无偏振器（I0）时光散射信号比与AuNR的径向比存在密切关系，这不受外部条件的影响。实验结果证明，曝光时间及溶剂的介电常数等对Ip/I0没有影响，只有径向比与Ip/I0存在一定的函数关系。

图2金纳米棒的径向比与偏振散射之间的关系

总之，本工作中，利用各向异性金纳米棒的偏振激发提高了暗场成像的准确度，这与金纳米棒的固有特性（包括取向和纵横比）密切相关。在此，角度和I/I0之间的余弦函数方程被拟合以推测不规则排列的金纳米棒的取向，该方法具有通用性。此外，Ip/I0和金纳米棒的纵横比呈现良好的线性关系，不受外部条件的影响，进一步提高了DFM成像的准确度。因此，Ip/I0值被定义为AuNR的形貌因子，以研究金纳米棒的化学蚀刻过程中形貌的变化。金纳米棒的形貌因子和取向的结合为活细胞内单颗粒的高分辨率暗场成像提供了可能性。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是西南大学药学院的硕士刘加军。

The Accurate Imaging of Collective Gold Nanorods with the Polarization-Dependent Dark-Field Light Scattering Microscope

Jia Jun Liu, Shuai Wen, Hui Hong Yan, Ru Cheng, Fu Zhu, Peng Fei Gao, Hong Yan Zou, Cheng Zhi Huang, Jian Wang

Anal. Chem. 2023, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c03911

研究团队简介

第一作者，刘加军，硕士，本科毕业于西南大学药学院制药工程专业，硕士毕业于西南大学药学院药物分析专业。研究生期间主要研究贵金属纳米颗粒暗场光散射成像分析。研究者期间多次获得一等奖学金及国家奖学金，在研期间参与发表了Anal. Chem.、TrAC-Trend. Anal. Chem.、Biosens. Bioelectron.等10余篇论文，其中以第一作者在Anal. Chem.(2篇)、Sensor. Actuat. B-Chem.等刊物上发表SCI收录学术论文4篇。

论文通讯作者，王健，博士，西南大学药学院教授，博士生导师。2010年在美国弗罗里达大学谭蔚泓教授课题组学习，2012年博士毕业于西南大学。主要研究方向为光谱药物分析，相继主持了国家自然科学基金面上及青年基金、省部级项目等多项。以第一作者或通讯作者在ACS Nano、Chem. Sci.、Anal. Chem.等国际刊物上发表80余篇论文，以副主编身份参与编写《弹性光散射光谱分析》专著一部、《基础分析化学》和《基础仪器分析》教材各一部。任《分析试验室》、《Journal of Analysis and Testing》青年编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/47842

论文通讯作者，黄承志，西南大学药学院教授、博士生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选、重庆英才计划•优秀科学家。相继承担了包括国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点、面上以及973课题等国家、省部级项目30余项。获得国家授权专利10余项，已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Chem. Sci.、Anal. Chem.等刊物上发表SCI收录学术论文500余篇，SCI刊物引用16000余次。编著《弹性光散射光谱分析》（Elastic light scattering spectrometry）（中文版，科学出版社；英文版，科学出版社-De Gruyter）专著一部、主编《基础分析化学》和《基础仪器分析》（科学出版社）教材各一部。研究方向为共振光谱与光谱分析（Resonance spectroscopy and spectrometry），主要包括共振光散射光谱分析、等离子体共振光谱分析、共振能量转移光谱分析等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/13972

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们研究单颗粒成像分析时，发现同一批的金纳米棒的成像结果有明显的差别。我们课题组对此进行了长期的研究。以前的研究使用了金纳米颗粒和钝化的银纳米颗粒作为内参，对单颗粒光散射成像进行校正。然而，上述校准方法引入了其他探针，这些探针也受颗粒组成和尺寸等条件的影响。因此，基于后续信号处理的校准方法对探究一般规律具有重要意义，有望以更简单的操作进一步提高暗场成像的准确度。

幸运的是，我们在多次的实验过程探索出纳米颗粒的取向与偏振的余弦函数关系及纳米颗粒的径向比与偏振光散射的线性函数关系，从而简化了校正纳米颗粒光散射的方法，并且具有通用性。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何得到径向比可控的金纳米棒，并实现纳米颗粒的共定位。本工作中，要得到径向比连续、可控的金纳米棒，需严格合成条件，并不断调整金种、盐酸的浓度等关键实验条件，以获得相貌可控的金纳米棒。接着将金纳米棒沉积在玻片上并获得不同偏振角度的光散射信号，然后再在扫描电子显微镜获得其形貌，建立形貌因子与径向比之间的函数关系。在这个过程中，我们团队在纳米颗粒的可控合成及共定位分析方面的经验积累起了至关重要的作用

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究为纳米颗粒的准确成像提供了重要方法，可以准确预测纳米颗粒的取向和径向比，而不收外界条件的影响，具有较强的通用性，因此为活细胞中单颗粒的高分辨率暗场成像提供了可能性，可以研究纳米颗粒在活细胞内的转动情况或者形貌的变化情况。我们相信这项研究成果为相关纳米材料的暗场成像提供了一种简单的、通用的校正方法,将对相关领域的发展产生推动作用。