近日，中科院空天信息创新研究院（空天院）传感技术国家重点实验室在表面等离子体共振（SPR）生化传感技术方面取得重要进展，研制出高光谱SPR显微成像检测装置，实现了对生化样品和纳米薄膜材料的单色成像、光谱成像、单像素SPR传感以及二维量化分析等多种功能的融合，极大发挥了SPR传感技术的优势。以上相关成果以“Flexible Hyperspectral Surface Plasmon Resonance Microscopy” 为题，于10月29日发表在Nature Communications（《自然·通讯》)，空天院博士生刘紫威为第一作者，研究员祁志美为通讯作者。
SPR成像传感器是目前国际上主流的原位非标记光学生化分析仪器，具有抗干扰、高灵敏、高通量、响应快等优点。SPR成像传感器可分为棱镜耦合型和物镜耦合型两类，前者视场大，但空间分辨率低；后者空间分辨率高，但视场小。此外，两者输出的图像都以灰度图像为主，不仅探测动态范围窄，而且不利于通过仿真拟合进行厚度、折射率、孔隙率等参数的量化分析。
为了解决这些难题，研究人员提出了一种高光谱SPR显微成像传感方法，构建了基于棱镜耦合的高光谱SPR显微镜系统，简称为HSPRM。研究人员首先将高光谱成像仪与单筒显微镜组装成为高光谱显微镜，然后用它对棱镜耦合型SPR成像传感器输出的大视场光谱图像进行选区分析，获得关于待测样品微观区域的SPR高光谱图像。组成该图像的原始数据是一个x-y平面代表空间信息、z轴代表光谱信息的数据立方体。研究人员开发了针对该数据立方体的处理方法和软件，从处理后的数据立方体中可提取出在可见-近红外光谱区间任一波长的高分辨灰度图像和任一像素的高分辨共振光谱，进而利用各个像素对应的共振波长建立样品被观测区域的共振波长图像。为了实现量化分析，研究人员还提出了基于菲涅耳公式和布拉格曼等效介质近似方程相结合的实验数据拟合算法，通过对测得的共振波长进行仿真拟合，就可得到样品被观测区域的厚度、折射率、孔隙率等参数的二维分布。研究人员对HSPRM的入射角进行了逐像素校准，消除了SPR灵敏度的像素间差异性，在此基础上使用HSPRM分析了附着于SPR芯片表面的单层石墨烯厚度分布、蛋白质的不均匀吸附以及粘附单细胞的折射率分布及细胞壁厚度分布。
研究结果表明，HSPRM系统的工作波长范围为400 nm ~1000 nm，可选视场范围为0.884 mm2 ~ 0.003 mm2，最高横向分辨率为1.2 μm，光谱相邻数据点的波长间隔为0.41nm。HSPRM具有不同于以往任何一款SPR成像传感器的工作模式和独特性能，它兼顾了大视场和高空间分辨率，允许像普通显微镜一样灵活切换不同倍数的物镜对棱镜耦合型SPR传感器产生的样品图像进行选区观察和精细分析；HSRPRM光谱范围宽、光谱分辨率高，允许采用各种SPR和PWR（等离子体波导共振）传感芯片进行多功能检测。HSPRM的每一个像素就是一个独立的高分辨光谱SPR微传感器，具有对单细胞甚至细胞器进行量化分析的潜力。正如Nature Communications邀请的同行评审专家所说：“本文带来了SPR成像的创新，扩展了SPR成像的应用 （This manuscript brings SPR imaging innovation and expand SPR imaging applications.）”，HSPRM系统在材料科学、表界面科学、生物化学、细胞生物学等领域显示出良好应用前景。
该研究成果得到国家自然科学基金（创新研究群体项目、重点项目、面上项目）、中科院科研仪器设备研制项目等资助。
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