放张载玻片就能放大一万倍,普通光学显微镜都馋哭了 | Nature子刊

光学显微镜的尺度竟突破了40纳米

博雯 发自 凹非寺
量子位 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

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