Optica：无标记超高分辨显微镜突破光学衍射极限，揭示光结构

       近日，研究人员开发了一种新型成像技术，能够突破光衍射极限，并且不需要任何染料标记，分辨出纳米结构。该技术意味着超越传统显微技术，超高分辨显微镜成像可能呈现出复杂样品的精细特征。

图1 超高分辨显微技术描述光与物质相互作用的艺术图。（图片来源：Jörg S. Eismann/格拉茨大学）       

       传统激光扫描显微镜使用强聚焦激光束照射样品，基于激光扫描显微镜，该技术不仅测量光线与样品相互作用后的亮度或强度，而且量化了光场编码的其它参数，以上成果已发表在期刊《Optica》上。

        “我们的方法可以帮助扩展研究纳米结构的显微镜工具箱，” 奥地利卡尔·弗朗岑斯格拉茨大学（以下简称格拉茨大学）的研究团队负责人Peter Banzer博士说，“与基于同种扫描方法的相比，该方法属于完全非侵入，因此，样品准备不需要将任何荧光分子注入其中。”

       此外，研究人员称，他们可以精确测量出金纳米粒子的占位和大小，分辨率达到纳米量级，甚至能看清内部的堆叠结构。Banzer博士说：“新型激光扫描显微镜技术缩小了传统显微镜有限分辨率和其它超分辨技术之间的差距，并且其它超分辨技术需要侵入性地标记样品。”

光能传递更多的信息

       对于激光扫描显微镜，激光束打在样品上，光子与样品内部（准）粒子相互作用，探测器接收透射光、反射光和散射光的信息，测量光亮度或强度。这是大多数显微镜都可以实现的，但相位、偏振、散射角等其它信息同样存储在出射光中。为了得到这些光密码，该团队不断测试强度和极化信息的空间分辨率。

       Banzer博士说：“光的相位、偏振态以及强度是关于实空间函数，它们包含了样品内部的动力学细节，就像物体的阴影反馈物体形状一样。然而，如果只是测量前后光强，以上信息会被忽略。”

视频1 算法分析数据演示动画，该算法能够拟合出成像区域内的纳米粒子的占位和大小。（图片来源：Jörg s. Eismann/格拉茨大学）

       该团队利用不同尺寸的金属纳米颗粒，测得的实验数据描述了该技术。通过扫描简单样品的指定区域，记录透射光的偏振态和角分辨图像揭示更多的光信息。关于算法，该团队开发多粒子模型，自动拟合实验数据，从而尽可能精确地描述相互作用。

       “虽然这些粒子及其间距远小于多数显微镜的分辨率极限，但我们仍然能分辨它们，”Banzer博士说，“此外，更重要的是，该算法能够提供光的信息，例如粒子的精确大小和占位。”

       目前，该团队正致力于改进这种方法，以便于应用到复杂样品中。此外，通过切割与样品相互作用的光结构，并且利用基于人工智能的图像处理技术拓展该技术的应用。在测量方面，作者与其他专家合作，预开发一种特殊的照相机作为欧洲项目“SuperPixels”的组成部分。除了光强外，新一代探测装置将量化极化和相位信息。

       “以上研究进一步证明了光结构在光学和光基技术等领域中的核心地位，”Banzer博士说，“虽然已经证实了许多有趣的现象和应用，但光学成像有更广阔的未来。”

[1] Jörg S. Eismann and Peter Banzer, "Sub-diffraction-limit Fourier-plane laser scanning microscopy," Optica 9, 455-460 (2022)

新闻链接：

https://phys.org/news/2022-04-label-free-super-resolution-microscopy.html