放張載玻片就能放大一萬(wàn)倍，普通光學(xué)顯微鏡都饞哭了 | Nature子刊

博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

能觀(guān)察生物細(xì)胞形態(tài)和變化過(guò)程的光學(xué)顯微鏡，對(duì)生物人來(lái)說(shuō)是不可或缺的。

但誰(shuí)又不饞電子顯微鏡那一騎絕塵的分辨率呢？

而現(xiàn)在，只要把樣品放在一張特殊的載玻片上，就能用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察到40nm，甚至更小的細(xì)節(jié)了！

對(duì)比隔壁普通的光學(xué)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(xué)圣地亞哥分校劉兆偉團(tuán)隊(duì)的最新研究speckle-MAIN。

這項(xiàng)技術(shù)全稱(chēng)為斑點(diǎn)超材料納米光鏡（speckle metamaterial-assisted illumination nanoscopy）。整個(gè)技術(shù)圍繞光斑（speckle）和超材料（metamaterial）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

壓榨光學(xué)衍射極限

普通光學(xué)顯微鏡的最大分辨率之所以只有約200nm，是因?yàn)槭芄鈱W(xué)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(zhǎng)，而N.A.為顯微鏡的數(shù)值孔徑。

那么是暴力降低波長(zhǎng)，還是增大數(shù)值孔徑？

研究團(tuán)隊(duì)選擇了前者，他們拿出了一張?zhí)厥獾妮d玻片。

這張載玻片涂滿(mǎn)了雙曲超材料（Hyperbolic Metamaterial），由3對(duì)納米級(jí)的銀和二氧化硅層構(gòu)成。

這是一種光收縮材料（light-shrinking material），當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)它時(shí)，其波長(zhǎng)會(huì)被縮短。

近場(chǎng)成像

光在通過(guò)上述雙曲超材料后，不僅波長(zhǎng)會(huì)縮短，還會(huì)發(fā)生散射。

這時(shí)產(chǎn)生了一系列隨機(jī)的高分辨率光斑（speckle），如果此時(shí)載玻片上有樣本，就會(huì)被這些光斑照亮。

眾所周知，光學(xué)衍射極限的公式只適用于遠(yuǎn)場(chǎng)。

所以……我不在遠(yuǎn)場(chǎng)玩了！衍射極限！

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

最終實(shí)現(xiàn)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(gè)數(shù)量的子幀時(shí)，才能重建一個(gè)具有N倍分辨率的超分辨率圖像。

因此，speckle-MAIN技術(shù)便由500個(gè)衍射限制的子幀重建并成像。

即使將子幀數(shù)設(shè)為80，使用NA=0.8的物鏡，也能重建兩個(gè)中心距離為60nm的粒子：

生物觀(guān)測(cè)，走一個(gè)

來(lái)試試光學(xué)顯微鏡的本職工作：生物成像。

在Cos-7細(xì)胞上固定熒光標(biāo)記，然后使用speckle-MAIN技術(shù)觀(guān)測(cè)。

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

要知道，即使是SIM（結(jié)構(gòu)光照明顯微成像）技術(shù)也只能觀(guān)測(cè)到100nm左右的物體而已。

所以不逼一下光學(xué)衍射極限，都不知道光學(xué)顯微鏡也能從亞細(xì)胞尺度，去更精細(xì)地觀(guān)察生物結(jié)構(gòu)和變化過(guò)程。

而且speckle-MAIN分辨率的提高主要來(lái)自于涂了超材料的載玻片，這就意味著無(wú)需修改樣品的制備方案，也不需要對(duì)顯微鏡做過(guò)多設(shè)置——

一片一鏡一樣本，細(xì)胞的像就成了。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)，以期在三維空間也能高速、高分辨率，且低光無(wú)毒地成像。

團(tuán)隊(duì)介紹

這項(xiàng)研究的一作Yeon Ui Lee來(lái)自韓國(guó)的忠北國(guó)立大學(xué)，是劉兆偉實(shí)驗(yàn)室的成員之一。

而團(tuán)隊(duì)的劉兆偉教授為USCD的電子與計(jì)算機(jī)工程系的終身教授，主攻納米光子學(xué)，等離子體，納米材料和生命科學(xué)方向。

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

團(tuán)隊(duì)官網(wǎng)：
https://www.zhaowei.us/team.php

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