放张载玻片就能放大一万倍，普通光学显微镜都馋哭了
<p style="margin:20px 0px">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。</p><p style="margin:20px 0px">但谁又不馋电子显微镜那一骑绝尘的分辨率呢？</p><p style="margin:20px 0px">而现在，只要把样品放在一张<strong>特殊的载玻片</strong>上，就能用光学显微镜观察到<strong>40nm</strong>，甚至更小的细节了！</p><p style="margin:20px 0px">对比隔壁普通的光学显微镜那<strong>200nm</strong>左右的最大分辨率，一下子就提升了<strong>5 倍</strong>！</p><p style="margin:20px 0px">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<strong>speckle-MAIN</strong>。</p><p style="margin:20px 0px"><strong>△</strong>已被 Nature Communications 收录</p><p style="margin:20px 0px">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。</p><p style="margin:20px 0px"><b>压榨光学衍射极限</b></p><p style="margin:20px 0px">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。</p><p style="margin:20px 0px">想要提升分辨率，就要尽可能压榨衍射极限。</p><p style="margin:20px 0px">衍射极限有公式：</p><p style="margin:20px 0px">其中 λ 为波长，而 N.A. 为显微镜的数值孔径。</p><p style="margin:20px 0px">那么是暴力降低波长，还是增大数值孔径？</p><p style="margin:20px 0px">研究团队选择了前者，他们拿出了一张特殊的载玻片。</p><p style="margin:20px 0px">这张载玻片涂满了<strong>双曲超材料（Hyperbolic Metamaterial）</strong>，由 3 对纳米级的银和二氧化硅层构成。</p><p style="margin:20px 0px">这是一种光收缩材料（light-shrinking material），当光线通过它时，其波长会被<strong>缩短</strong>。</p><p style="margin:20px 0px"><b>近场成像</b></p><p style="margin:20px 0px">光在通过上述双曲超材料后，不仅波长会缩短，还会发生<strong>散射</strong>。</p><p style="margin:20px 0px">这时产生了一系列随机的高分辨率<strong>光斑（speckle）</strong>，如果此时载玻片上有样本，就会被这些光斑照亮。</p><p style="margin:20px 0px">众所周知，光学衍射极限的公式只适用于远场。</p><p style="margin:20px 0px">所以……我不在远场玩了！衍射极限！</p><p style="margin:20px 0px">利用双曲超材料的<strong>近场（near field）</strong>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<strong>绕开了衍射极限</strong>——</p><p style="margin:20px 0px">最终实现了超分辨率成像（Super-resolution imaging）。</p><p style="margin:20px 0px">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。</p><p style="margin:20px 0px">因此，speckle-MAIN 技术便由 500 个衍射限制的子帧重建并成像。</p><p style="margin:20px 0px">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：</p><p style="margin:20px 0px"><b>生物观测，走一个</b></p><p style="margin:20px 0px">来试试光学显微镜的本职工作：生物成像。</p><p style="margin:20px 0px">在 Cos-7 细胞上固定荧光标记，然后使用 speckle-MAIN 技术观测。</p><p style="margin:20px 0px">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！</p><p style="margin:20px 0px">要知道，即使是<strong>SIM（结构光照明显微成像）</strong>技术也只能观测到 100nm 左右的物体而已。</p><p style="margin:20px 0px">所以不逼一下光学衍射极限，都不知道光学显微镜也能从<strong>亚细胞尺度</strong>，去更精细地观察生物结构和变化过程。</p><p style="margin:20px 0px">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——</p><p style="margin:20px 0px">一片一镜一样本，细胞的像就成了。</p><p style="margin:20px 0px">目前，研究团队正在扩大这项技术，以期在<strong>三维空间</strong>也能高速、高分辨率，且低光无毒地成像。</p><br>免责声明：如果本文章内容侵犯了您的权益，请联系我们，我们会及时处理，谢谢合作！
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