提升1.55倍！中国科大让显微镜拍出“大片感”，登国际期刊 PNAS

提升1.55倍！中国科大让显微镜拍出“大片感”，登国际期刊 PNAS

近日，中国科学技术大学张斗国教授课题组在显微成像技术领域取得重要突破。他们结合微纳光学的光场调控技术和计算光学显微成像技术，提出了一种基于光子晶体随机散斑照明的超越衍射极限、无标记暗场成像新技术。相关研究成果于2月20日以直接投稿的方式发表在综合性国际学术期刊 PNAS。

研究背景

在当今科技飞速发展的时代，成像技术在各个领域都发挥着至关重要的作用，从生物医学研究到材料科学，从微观世界的探索到宏观宇宙的观测。然而，传统的成像技术在分辨率和对比度方面往往存在一定的局限性，这成为了制约许多科学研究和实际应用的瓶颈。

随着科学研究的不断深入，对微观世界的观测需求日益增长。在生物医学领域，细胞结构、蛋白质分子的相互作用等细微结构的清晰成像对于疾病的诊断和治疗具有重要意义。在材料科学中，纳米材料的特性和微观结构的准确表征对于研发高性能的材料至关重要。但传统的衍射极限限制了成像的分辨率，使得许多微小的结构无法清晰呈现。

为了突破这一限制，科学家们不断探索新的成像技术和方法。计算光学显微成像技术的出现为解决这一问题带来了新的思路。它结合了先进的数学算法和光学原理，能够对采集到的图像进行更精确的处理和分析，从而提高成像的质量。同时，微纳光学的光场调控技术也逐渐崭露头角。通过对光场的精细调控，可以实现更加灵活和多样化的照明方式，为提高成像效果提供了可能。

然而，如何将这些技术有效地结合起来，实现超越衍射极限、高对比度和高分辨率的无标记暗场成像，仍然是一个巨大的挑战。

微观成像的新突破

在科研的前沿领域，张斗国教授课题组的研究成果令人瞩目。他们巧妙地利用前端物理域的亚波长结构光子晶体光场调控特性，成功实现了大角度和全内反射表面波的随机暗场散斑照明。

具体而言，张斗国教授课题组创新性地提出利用一维光子晶体和多模光纤波导等微纳结构组成平面型器件，以此来达成随机暗场散斑照明的功能。为了验证这一设计的有效性，研究人员精心运用前焦面和后焦面成像系统，对该平面器件所生成的照明光场特性展开了细致的表征分析。令人欣喜的是，实验结果与理论设计完美契合，为后续的研究奠定了坚实基础。

在此基础上，课题组进一步探索，将精心制备的平面型随机暗场散斑照明器件巧妙地用作传统明场显微镜的载物平台。令人惊叹的是，无需对原有的成像系统进行任何修改，就能够顺利实现随机暗场散斑照明显微镜（RDSIM）的搭建。这一创新举措大大降低了技术应用的门槛，提高了其实用性和可推广性。

为了获取更出色的成像效果，课题组通过拍摄 200 帧不同散斑照明的样品图像，并结合 Blind-SIM 重建算法，成功重构出了超分辨率图像。在实验过程中，他们巧妙地利用波长 633nm 的光，对直径 200nm 的不同间距聚苯乙烯球进行成像，以验证新技术的性能。

最后，通过严谨对比 RDSIM 与传统暗场、明场以及电镜的成像效果，有力地验证了 RDSIM 具有高对比度、高分辨率的暗场成像性能。

分辨率提升1.55倍

实验结果表明，这种成像技术成功地将无标记暗场成像的空间分辨率大幅提升，达到了 1.55 倍之多，一举突破了该成像系统长久以来的阿贝衍射极限分辨率。

与此同时，研究人员并未满足于此。他们巧妙地利用聚合物纳米线进行深入验证，惊喜地发现该系统在切换工作波长后，竟然具备了出色的表面切片成像能力。这一发现无疑为研究微观世界打开了全新的视角。它的出现不仅是技术上的突破，更意味着潜在应用领域的极大拓展。以往传统暗场显微技术难以捕捉的样品细节信息，如今在这一新技术面前也不再神秘。

中国科学技术大学在此次研究中展现出了强大的科研实力。物理学院的博士生范泽滔、尤新祥凭借出色的表现，成为本论文的共同第一作者。而张斗国教授作为通讯作者，更是为研究提供了关键的指导和引领。

值得一提的是，该研究工作能够取得如此显著的成果，离不开多方的支持。科技部、国家自然科学基金委、安徽省科技厅等提供的项目经费，为研究注入了强大的动力。中国科学技术大学微纳研究与制造中心、理化科学实验中心在相关样品制作工艺方面给予的仪器支持与技术支撑，也为研究的顺利进行保驾护航。