超分辨顯微成像的實(shí)現(xiàn)，既可以通過(guò)在空間域進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)壓縮，也可以基于移頻效應(yīng)來(lái)擴(kuò)展探測(cè)頻譜。兩者相比，后者在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、快速顯微成像上具有重要優(yōu)勢(shì)。其中，高波矢倏逝波照明的移頻顯微技術(shù)可將顯微物鏡通頻帶范圍外的超高頻信息移到低頻區(qū)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)，是實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)分辨、大視場(chǎng)、快速顯微成像的有效途徑。然而，當(dāng)移頻量超過(guò)通頻帶孔徑的兩倍以上時(shí)會(huì)導(dǎo)致缺頻現(xiàn)象，使成像結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重的散斑和模糊，因此傳統(tǒng)線性移頻顯微成像的分辨率最高只能提升至阿貝衍射極限的三倍，如圖1所示。

IMAGE:?缺乏“可調(diào)”方法導(dǎo)致的移頻缺頻示意圖。（A），傳統(tǒng)深移頻下可探測(cè)的空間頻譜范圍和缺頻區(qū)；（B），缺頻時(shí)的成像呈現(xiàn)出嚴(yán)重散斑和模糊。

最近，研究者提出了片上三維可調(diào)深移頻超分辨顯微成像技術(shù)，使線性系統(tǒng)的分辨率提升從根本上擺脫了探測(cè)孔徑的限制，彌補(bǔ)了2014年諾貝爾獎(jiǎng)所授予的主流方法的不足——即一方面需要特殊熒光標(biāo)記，另一方面需要耗時(shí)的點(diǎn)掃描過(guò)程或拍攝上千幀原始圖像。同時(shí)，相比傳統(tǒng)超分辨顯微成像技術(shù)，該方法基于片上波導(dǎo)照明實(shí)現(xiàn)，具有可集成化、低成本、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步與微流控、光電功能芯片進(jìn)行集成，為現(xiàn)代生物學(xué)難題的研究提供多功能綜合性研究平臺(tái)。

研究相關(guān)的論文題為 “Chip-compatible wide-field 3D nanoscopy through tunable spatial frequency shift effect”，為SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy近期出版的2021年第9期封面文章，由浙江大學(xué)楊青教授和劉旭教授擔(dān)任論文通訊作者。

近年來(lái)，劉旭和楊青教授團(tuán)隊(duì)率先將高波矢倏逝波照明用于移頻成像，并與微納光纖和光學(xué)薄膜波導(dǎo)等集成光子器件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了片上寬場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、無(wú)標(biāo)記的移頻超分辨成像，成像分辨率可達(dá)亞百納米，視場(chǎng)比其他無(wú)標(biāo)記顯微方法提升了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

然而，當(dāng)移頻量超過(guò)探測(cè)孔徑的兩倍以上時(shí)，由于高頻信息與低頻信息間的頻譜缺失，成像結(jié)果面臨嚴(yán)重的散斑和模糊問(wèn)題。因此，線性移頻顯微成像系統(tǒng)的理論分辨率最多只能提升至阿貝衍射極限的三倍。

楊青教授介紹：“在我們的研究中，為了解決缺頻問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)分辨率，我們提出了可調(diào)深移頻成像的思路以及多種移頻量調(diào)節(jié)的方法。早期，我們通過(guò)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)可調(diào)移頻，但波長(zhǎng)范圍有限，因此我們必須尋找其他大范圍可調(diào)的移頻成像機(jī)制?！?/p>

該研究報(bào)道了一種可與光子芯片兼容的大范圍三維可調(diào)深移頻成像方法，使移頻成像的分辨率提升從根本上擺脫了探測(cè)孔徑的限制，不再具有理論極限。在橫向上，可通過(guò)控制兩個(gè)倏逝波的橫向傳播方向來(lái)調(diào)節(jié)干涉照明圖案的空間頻率，如圖2所示。該調(diào)節(jié)方法具有主動(dòng)式、寬范圍的特點(diǎn)，基于該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體頻譜域大范圍、無(wú)缺頻的探測(cè)。在縱向上，通過(guò)飽和層析效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)照明頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)縱向超分辨顯微成像。最終縱向上的超分辨深度信息可與橫向超分辨信息疊加，可實(shí)現(xiàn)片上三維超分辨顯微成像。

通過(guò)使用可見(jiàn)光波段的高折射率低損耗光學(xué)介質(zhì)磷化鎵材料作為介質(zhì)波導(dǎo)，研究者從理論上證明了可以實(shí)現(xiàn)λ?9的橫向分辨率與~λ?200的縱向分辨率（物鏡數(shù)值孔徑為0.9），如圖3所示。研究者還通過(guò)引入具有超高折射率的超材料作為波導(dǎo)，展示了該方法的分辨率提升不受探測(cè)孔徑限制的特點(diǎn)，即分辨率可以通過(guò)提高波導(dǎo)折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升。除了大幅提升分辨率之外，相比于經(jīng)典的基于結(jié)構(gòu)光照明的非可調(diào)移頻顯微成像技術(shù)，該方法表現(xiàn)出了更強(qiáng)的抗噪能力。

據(jù)劉旭教授評(píng)論，由于該方法可基于片上波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，因此可設(shè)計(jì)為量產(chǎn)化的緊湊式顯微模塊，安裝在普通顯微鏡上，使其具備快速、大視場(chǎng)、深亞波長(zhǎng)分辨率的三維顯微能力。隨著微納加工技術(shù)的提高，以及光子集成生產(chǎn)線的建立，片上集成光子芯片可以隨之降低成本，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。該研究對(duì)推進(jìn)深亞波長(zhǎng)超分辨顯微成像在生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

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文章信息：

Xiaowei Liu, Mingwei Tang, Chao Meng, Chenlei Pang, Cuifang Kuang, Wei Chen, Clemens F. Kaminski, Qing Yang, and Xu Liu, Chip-compatible wide-field 3D nanoscopy through tunable spatial frequency shift effect, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2021, 9 (294211).https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/9/10.1007/s11433-020-1682-1?slug=fulltext

來(lái)源：EurekAlert！