光学显微镜的尺度竟突破了40纳米

博雯 发自 凹非寺
非常AI 报道 | 公众号 QbitAI

能观察生物细胞形态和变化过程的光学显微镜，对生物人来说是不可或缺的。

但谁又不馋电子显微镜那一骑绝尘的分辨率呢？

而现在，只要把样品放在一张特殊的载玻片上，就能用光学显微镜观察到40nm，甚至更小的细节了！

对比隔壁普通的光学显微镜那200nm左右的最大分辨率，一下子就提升了5倍！

这张载玻片，就是加州大学圣地亚哥分校刘兆伟团队的最新研究speckle-MAIN。

△已被Nature Communications收录

这项技术全称为斑点超材料纳米光镜（speckle metamaterial-assisted illumination nanoscopy）。整个技术围绕光斑（speckle）和超材料（metamaterial）来实现。

压榨光学衍射极限

普通光学显微镜的最大分辨率之所以只有约200nm，是因为受光学衍射极限（Diffraction limit）的约束。

想要提升分辨率，就要尽可能压榨衍射极限。

衍射极限有公式：

其中λ为波长，而N.A.为显微镜的数值孔径。

那么是暴力降低波长，还是增大数值孔径？

研究团队选择了前者，他们拿出了一张特殊的载玻片。

这张载玻片涂满了双曲超材料（Hyperbolic Metamaterial），由3对纳米级的银和二氧化硅层构成。

这是一种光收缩材料（light-shrinking material），当光线通过它时，其波长会被缩短。

近场成像

光在通过上述双曲超材料后，不仅波长会缩短，还会发生散射。

这时产生了一系列随机的高分辨率光斑（speckle），如果此时载玻片上有样本，就会被这些光斑照亮。

众所周知，光学衍射极限的公式只适用于远场。

所以……我不在远场玩了！衍射极限！

利用双曲超材料的近场（near field）传输特性，高分辨率的近场光斑们被重构算法拼凑了起来，成功绕开了衍射极限——

最终实现了超分辨率成像（Super-resolution imaging）。

从信息论角度看，只有至少存在N2个数量的子帧时，才能重建一个具有N倍分辨率的超分辨率图像。

因此，speckle-MAIN技术便由500个衍射限制的子帧重建并成像。

即使将子帧数设为80，使用NA=0.8的物镜，也能重建两个中心距离为60nm的粒子：

生物观测，走一个

来试试光学显微镜的本职工作：生物成像。

在Cos-7细胞上固定荧光标记，然后使用speckle-MAIN技术观测。

不仅细胞中的细微特征（如肌动蛋白丝）可以成像，连间隔为40-80nm的微小荧光珠和量子点都清清楚楚！

要知道，即使是SIM（结构光照明显微成像）技术也只能观测到100nm左右的物体而已。

所以不逼一下光学衍射极限，都不知道光学显微镜也能从亚细胞尺度，去更精细地观察生物结构和变化过程。

而且speckle-MAIN分辨率的提高主要来自于涂了超材料的载玻片，这就意味着无需修改样品的制备方案，也不需要对显微镜做过多设置——

一片一镜一样本，细胞的像就成了。

目前，研究团队正在扩大这项技术，以期在三维空间也能高速、高分辨率，且低光无毒地成像。

团队介绍

这项研究的一作Yeon Ui Lee来自韩国的忠北国立大学，是刘兆伟实验室的成员之一。

而团队的刘兆伟教授为USCD的电子与计算机工程系的终身教授，主攻纳米光子学，等离子体，纳米材料和生命科学方向。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21835-8.pdf

团队官网：
https://www.zhaowei.us/team.php

参考链接：
https://phys.org/news/2021-06-light-shrinking-material-ordinary-microscope-super.html