放張載玻片就能放大一萬倍，普通光學顯微鏡都饞哭了 | Nature子刊

博雯 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

能觀察生物細胞形態和變化過程的光學顯微鏡，對生物人來說是不可或缺的。

但誰又不饞電子顯微鏡那一騎絕塵的分辨率呢？

而現在，只要把樣品放在一張特殊的載玻片上，就能用光學顯微鏡觀察到40nm，甚至更小的細節了！

對比隔壁普通的光學顯微鏡那200nm左右的最大分辨率，一下子就提升了5倍！

這張載玻片，就是加州大學圣地亞哥分校劉兆偉團隊的最新研究speckle-MAIN。

這項技術全稱為斑點超材料納米光鏡（speckle metamaterial-assisted illumination nanoscopy）。整個技術圍繞光斑（speckle）和超材料（metamaterial）來實現。

壓榨光學衍射極限

普通光學顯微鏡的最大分辨率之所以只有約200nm，是因為受光學衍射極限（Diffraction limit）的約束。

想要提升分辨率，就要盡可能壓榨衍射極限。

衍射極限有公式：

其中λ為波長，而N.A.為顯微鏡的數值孔徑。

那么是暴力降低波長，還是增大數值孔徑？

研究團隊選擇了前者，他們拿出了一張特殊的載玻片。

這張載玻片涂滿了雙曲超材料（Hyperbolic Metamaterial），由3對納米級的銀和二氧化硅層構成。

這是一種光收縮材料（light-shrinking material），當光線通過它時，其波長會被縮短。

近場成像

光在通過上述雙曲超材料后，不僅波長會縮短，還會發生散射。

這時產生了一系列隨機的高分辨率光斑（speckle），如果此時載玻片上有樣本，就會被這些光斑照亮。

眾所周知，光學衍射極限的公式只適用于遠場。

所以……我不在遠場玩了！衍射極限！

利用雙曲超材料的近場（near field）傳輸特性，高分辨率的近場光斑們被重構算法拼湊了起來，成功繞開了衍射極限——

最終實現了超分辨率成像（Super-resolution imaging）。

從信息論角度看，只有至少存在N2個數量的子幀時，才能重建一個具有N倍分辨率的超分辨率圖像。

因此，speckle-MAIN技術便由500個衍射限制的子幀重建并成像。

即使將子幀數設為80，使用NA=0.8的物鏡，也能重建兩個中心距離為60nm的粒子：

生物觀測，走一個

來試試光學顯微鏡的本職工作：生物成像。

在Cos-7細胞上固定熒光標記，然后使用speckle-MAIN技術觀測。

不僅細胞中的細微特征（如肌動蛋白絲）可以成像，連間隔為40-80nm的微小熒光珠和量子點都清清楚楚！

要知道，即使是SIM（結構光照明顯微成像）技術也只能觀測到100nm左右的物體而已。

所以不逼一下光學衍射極限，都不知道光學顯微鏡也能從亞細胞尺度，去更精細地觀察生物結構和變化過程。

而且speckle-MAIN分辨率的提高主要來自于涂了超材料的載玻片，這就意味著無需修改樣品的制備方案，也不需要對顯微鏡做過多設置——

一片一鏡一樣本，細胞的像就成了。

目前，研究團隊正在擴大這項技術，以期在三維空間也能高速、高分辨率，且低光無毒地成像。

團隊介紹

這項研究的一作Yeon Ui Lee來自韓國的忠北國立大學，是劉兆偉實驗室的成員之一。

而團隊的劉兆偉教授為USCD的電子與計算機工程系的終身教授，主攻納米光子學，等離子體，納米材料和生命科學方向。

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

團隊官網：
https://www.zhaowei.us/team.php

參考鏈接：
https://phys.org/news/2021-06-light-shrinking-material-ordinary-microscope-super.html