光学成像系统中的光源和探测器对成像质量的影响及光纤纳米探针在应用中的优势

成像是人类获取信息的最重要手段，从透镜成像的普通相机、光学显微成像、微光夜视仪红外热成像、共焦显微成像、光学相干层析成像、相干拉曼散射成像（coherent Raman scattering，CRS）到扫描近场光学显微成像（scanning near－field optical microscopy，SNOM）等，光学成像技术的快速发展不断拓宽人类对自然界观察的范围和深度。尤其是生物医学成像技术，更是随着复合光纤的发展和应用取得了巨大进步。

复合光纤的应用，推动了成像系统朝着更高分辨率、更宽的成像范围、更快的成像速度，以及柔性、三维成像发展。基于复合光纤的成像技术，在不切除组织、不使用造影剂的条件下，就能实现接近生物组织活检、组织病理检查的微米级成像分辨率，克服了传统生化方法和组学技术可能会引起的细胞破损且将异质信息均质化等的缺点，满足了生物医学等领域发展的技术需求。光纤可以既是成像器件又是传像器件，无需增加扫描器件和成像透镜便可将光纤一端视场范围内的场景一次性传输到另一端；柔软的光纤可被封装于超小型的针头或内窥导管内，实现对生物体内部软组织或组织器官微腔的高分辨率成像；光纤还可以作为激光手术刀，在传像的同时进行治疗。

在光学成像系统中，光源和探测器是影响成像质量的主要因素。

1.成像光源

在显微成像系统中，成像的性质在很大程度上取决于所采用光源的性质。相关研究表明，超宽带、高相干性光源有利于提高系统的分辨率、扫描范围、扫描速度和信噪比，采用高斯光束有利于避免像素串扰，也可以获得更好的分辨率。一般的成像系统使用汞和氙弧灯作为宽带照明，光照效率低、空间相干性差，因此不利于提高扫描显微镜的分辨率。二极管和单色激光能提供较强的照明，但带宽较窄，限制了成像标的的响应性。因此，利用光子晶体光纤（PCF）产生超连续光谱（SC），以及利用晶体－玻璃复合光纤产生宽带放大自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）成为实现高分辨率成像系统光源的有效方法。

2010年，台湾大学Tsai等用双包层Ce3+：YAG晶体－玻璃复合光纤产生的宽带ASE信号作为OCT光源［337］，实现1.1μm的纵向分辨率和6μm的横向分辨率。用该OCT系统观察金鱼的眼角膜，可以清楚地看到金鱼眼角膜的间质结构以及眼角膜内的分离边界。同年，台湾大学Lin等制备了Ce、Sm共掺的YAG双包层晶体－玻璃复合光纤，外包层为石英玻璃［68］。他们用446 nm激光泵浦得到4.8 mW的输出功率，其发射光谱几乎覆盖了整个可见光波段；以此作为宽带光源用于OCT，实现1.5μm的纵向分辨率［69］。

Lin等将基于PCF紧凑型SC光源用于彩色共焦显微镜，提高了系统的扫描范围、信噪比和扫描速度，扫描深度达到7μm，相应深度分辨率小于1μm［338］。2012年，Kudlinski等通过锗掺杂PCF并锥形化，产生了第一个真正意义上连续白光SC，光谱范围从470 nm到1750 nm［339］。上海理工大学杨康文等采用基于全保偏光纤和光子晶体光纤的超短脉冲光源，实现了脂类、蛋白质和核酸的非侵入、无标记光谱检测和相干拉曼散射成像［340］。通过参量放大实现光谱分辨率从5.0 nm到1.0 nm的窄化，通过匹配可实现调谐范围从高波数拉曼区和指纹拉曼区的拓展。此外，Li课题组提出了一种集成纳米环电极和光学纳米探针的双功能光电纳米探针，并用该探针实现了高空间分辨率的光电信号实时检测［341］。其纳米尖端亚波长孔径允许形成纳米级光源，这对于获得高空间分辨率和抑制荧光背景至关重要。(www.xing528.com)

2.光纤探针

光纤纳米探针突破了传统光学成像的衍射极限，实现了超分辨显微成像及检测。光纤纳米探针最初是作为扫描近场光学显微镜（SNOM）的扫描探针而开发的［342，343］。探针为亚波长大小，可捕获样品表面倏逝波信号，对微米量级甚至纳米量级尺度的微小环境进行分析探测。由于光纤纳米探针体积小，对样品损害较小，并具有光学检测快速、微量、无损等特点，因此在高精度传感和痕量分析、光束操纵和生物光学显微成像等领域都具有广泛的应用。如可实现在自然状态下研究单细胞内部的动态生物过程，甚至在纳米尺度上识别和定位特定的分子结构，并且使细胞在检测后仍能保持活性［344］。目前，用于SNOM的光纤探针可以分为有孔光纤探针、无孔光纤探针和主动发光探针。

有孔光纤探针是侧壁镀金属薄膜、尖端开孔的锥形复合光纤。1991年，Betzig等首次利用光纤制备扫描探针，该光纤探针与单模光纤直接相连，并且通过加热拉伸形成锥尖结构，锥区侧壁镀上铝膜，锥区尖端则形成直径约数十纳米的通孔［345］。相比于其它探针，该探针能够同时实现表面等离激元模式的高效率激发及样品表面倏逝场信号的高效收集，因此收集的图像信号增强104106倍。同时该探针也简化了扫描成像系统，提升稳定性，最终优化成像质量。

为了提升SNOM的信噪比，要求光纤探针的光场传输效率尽可能高。Saiki等研究发现，锥区角度大的光纤探针，传输效率更高［346］。如当尖端直径为200 nm时，50°锥角的光纤探针相比于20°锥角，损耗降低一个数量级，传输效率约为10－3。然而，增大锥角将缩短探针长度，进而导致探针在扫描粗糙样品时无法准确定位成像。为了解决这一问题，他们提出了双锥区光纤探针结构，在小锥角的长探针顶部制备了大锥角锥形结构。Yatsui等则通过制备非对称的光纤探针结构，在镀膜前预先移除锥区的一侧，更高效地将光纤模式转换为镀膜波导的基模而不是高阶模，从而降低损耗，将光场传输效率提升10倍［347］。进一步地，他们在增加基模转换效率的思路下，制备并优化了三锥区光纤探针，将光场传输效率提升1000倍［348］。Veerman等指出镀膜波导中，不同偏振模式的转换效率、损耗存在差异；而通过控制光纤探针的形貌，仅激发特定偏振模式，能够提高传输效率［349］。他们通过聚焦离子束将光纤探针削平，并刻蚀成标准圆形通孔，降低了锥区顶部和通孔内部的粗糙度（1050 nm），将偏振消光比提升至1∶100，最终实现了单个荧光分子的成像。另一方面，在有孔光纤探针尖端，表面等离激元需要穿过直径仅数十纳米的通孔到达样品表面，会产生损耗。Wang和Xu指出，同等孔径的蝴蝶结形通孔比圆形通孔的传输效率提升10倍，空间分辨率可提升至30 nm［350］。孔径越小，分辨率越高，但传输效率会急剧下降。若通过提高注入光功率改善信噪比，将会在锥尖产生高温而熔化光纤探针的金属薄膜，从而降低了成像系统的稳定性［351］。针对上述困难，Taminiau等在有孔光纤探针尖端集成金属纳米线（直径550 nm、长度约100 nm），实现有效控制成像光束的偏振特性，且空间分辨率提升至25 nm，实现了单个荧光分子成像［352，353］。

无孔光纤探针是在光纤顶端集成金属锥尖来增强光谱而实现荧光成像。由于无孔探针相较于有孔探针，仅产生单个强场局域点，因此虽然传输效率略逊，但在提升空间分辨率方面具有较大的优势［354］。2009年，Eghlidi等在无孔探针尖端集成纳米金颗粒，借助高度局域化的表面等离激元激发荧光分子，无孔探针的荧光信号强度提升了30倍，荧光成像的空间分辨率为20 nm［355］。Zenhausern等制备了无孔探针，通过调制探针尖端的表面等离激元，实现空间分辨率高达1 nm成像［356］。然而，无孔探针仅充当光场转换的功能，泵浦光注入和信号光收集都需要借助额外的光学元件来实现。2013年，Uebel等提出了一种新型全光纤集成的近场等离子体纳米探针，由Au纳米线和锥形石英毛细管构成，并与标准多模光纤相连，通过湿法蚀刻和切割等工艺，形成了尺寸小于100 nm的尖端［357］。随后，Huang等在尖端直径仅5μm、锥区倾角为8.2°的光纤锥尖吸附金核－银壳结构的纳米颗粒，实现提升1.6×104倍的表面增强拉曼信号［358］。这些无孔光纤探针，能够同时实现泵浦光注入、偏振态控制及信号光收集。

除了上述被动发光探针，人们在SNOM系统中还发展了一类主动发光探针。这种探针借助纳米发光体的发光特性受环境调制而实现成像功能。相比于被动发光探针，主动发光探针的SNOM系统成像分辨率主要受制于纳米发光体尺寸，而不是探针尖端尺寸，因此可以低至原子水平。Michaelis等在光纤锥尖附着包含单个荧光分子的微晶薄膜，初步演示了主动发光探针的SNOM系统，实现20 nm的空间分辨率［359］。未来，相信有更高效更微小的发光体（如单量子点）被集成到光纤探针上，通过光纤同时实现泵浦光注入和信号光收集，实现低于1 nm空间分辨率的光学成像。