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/納米級結構的光譜分析手段，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/生物分析，環(huán)境檢測及高分辨成像等領域具有重要的作用。

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，被廣泛應用于生物醫(yī)學、環(huán)境科學及藥物檢測等多個領域，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）巧妙的實現了光譜的測量。布洛赫表面波可以在多層介質膜與周圍環(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)，可在實現成像的同時進行光譜測量，在實驗上分別實現了單峰和多峰光譜的重構，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據中，即可重構待測的光譜信號。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，可潛在應用于生物成像，醫(yī)療傳感及高光譜成像等領域，為硅光集成在更廣闊的傳感應用進行了拓展。

圖1:  布洛赫表面波調制的光譜測量機理

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