[发明专利]一种基于散射-衍射转变结构色的纳米检测及光学成像方法

说明书

本发明涉及光学纳米成像技术领域，公开了一种基于散射‑衍射转变结构色的纳米检测及光学成像方法。该方法包括：(1)将纳米颗粒置于基底上，通过溶液自组装法得到大面积的一维纳米结构；(2)将一维纳米结构置于光学显微镜的载物台上，入射光大角度照射一维纳米结构，接收散射光和衍射光，采集散射‑衍射转变光谱后成像得到初始光学图像；(3)通过散射‑衍射转变光谱推断纳米颗粒的尺寸，然后结合得到的初始光学图像进行图像分析，推断缺陷的类型、位置和尺寸，重构一维纳米结构。该发明能检测一维纳米结构中单个纳米颗粒的尺寸差异和缺陷，能够精确地重构纳米颗粒组装成的一维纳米结构。该技术操作简单，便于大面积检测和成像一维结构。

技术领域

本发明涉及光学纳米成像技术领域，具体涉及一种基于散射-衍射转变结构色的纳米检测及光学成像方法。

背景技术

以纳米颗粒为基本构筑单元的超结构可用于光偏振、波导、非线性光学和光学探测。这些超结构的关键特征是能够增强光与物质的相互作用并且产生颜色效应，如光子晶体。降低它们的尺寸，使之与光波长相匹配，并通过显微成像技术表征这些结构，这对开发新材料和新型光子器件至关重要。目前，电子显微镜作为表征纳米材料的形状、大小和分布的标准方法之一，虽然提供了高的分辨率，但它要求样品是导电的(或用导电材料覆盖)，并且要处于高真空条件下，这通常会破坏样品的暴露区域。为了直接观察纳米结构，基于光与物质相互作用，光学显微镜已经被应用于许多领域。然而，光学显微镜的分辨率大约等于入射光波长的一半(～λ/2或在可见光下～200nm)。也就是说，在可见光范围内，传统的光学显微镜观察不到样品亚波长尺度的信息。为了突破这一局限，许多科学家依靠高折射率的超透镜或特定的超结构来分辨纳米结构中小于100nm的信息，这些方法大多都避免了衍射本身所带的特征信息。虽然这些信号很弱，但是增强这种特定的光学信号(散射或衍射)，光学显微镜能够直接在纳米水平上观察结构的界面、缺陷和表面，而不需要任何复杂的辅助器件。

例如，单纳米颗粒具有等离子体或米氏型共振，增强单颗粒的光散射信号可以用于表面增强光谱和超分辨成像。然而，纳米颗粒周期性排列的一维结构的散射/衍射的选择性很少被研究，通常忽略了判别来自周期性结构的散射光或衍射光。研究一维纳米结构的散射-衍射转变性质将为实现有效的操纵光-物质相互作用提供重要意义。此外，开发一种便携式光学纳米成像技术是非常必要的，类似于相干衍射成像，通过分析来自样品的特征衍射信号就可以获得真实的结构信息。这种纳米成像技术结合数据分析将会使在纳米尺度上表征结构同光谱表征一样简单。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的纳米结构的散射/衍射光学信号没有得到合理利用，纳米颗粒周期性排列的一维结构的散射-衍射转变性质很少有人研究的问题，提供一种基于散射-衍射转变结构色的纳米检测及光学成像方法，该方法利用大角度入射，增强一维纳米结构的散射-衍射转变信号，产生结构色，突破光学显微镜衍射极限，能够检测一维纳米结构中50nm的尺寸差异和缺陷，甚至手机也可以检测这种微小的结构差异。这种新的结构色现象结合图像分析，能够精确地重构纳米颗粒组装成的一维结构。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于散射-衍射转变结构色的纳米检测及光学成像方法，该方法包括以下步骤：

(1)将纳米颗粒置于基底上，通过溶液自组装法得到大面积的一维纳米结构；

(2)将步骤(1)中得到的一维纳米结构置于光学显微镜的载物台上，入射光大角度照射一维纳米结构，接收散射光和衍射光，采集散射-衍射转变光谱后成像得到初始光学图像；

(3)通过散射-衍射转变光谱计算一维纳米结构的RGB值并转化为Hue值，推断纳米颗粒的尺寸，然后结合得到的初始光学图像进行图像分析，得到初始光学图像上每个像素点的强度，根据强度变化推断出缺陷的类型、位置和尺寸，重构一维纳米结构。

优选地，在步骤(1)中，所述纳米颗粒为可以稳定分散于水中或有机溶剂中的纳米颗粒。

优选地，在步骤(1)中，所述纳米颗粒为球形或立方形。