无创的超分辨显微成像技术

       奥地利格拉茨大学的研究人员开发了一种新的显微技术，这种技术可以在无标记的情况下实现纳米结构的无创、亚衍射极限成像。即使两个纳米颗粒相邻，全线性光学远场测量和成像技术也能对纳米颗粒的位置和尺寸进行纳米级精度的测量。在传统激光扫描显微镜中，一束激光在样品上扫描并测量来自样品的光，新的技术对激光扫描显微镜进行了改进，该技术基于激光扫描、偏振分辨的傅里叶平面测量和优化理论模型的研究系统，重建了亚衍射极限纳米颗粒。

        该技术除了测量与样品相互作用的光的亮度外，还测量光场中编码的参数。除了亮度之外，光的相位、偏振和散射角也提供有关样品的信息，为了获取存储在这些特征中的信息，研究人员检查了光强度和偏振的空间分辨率。

       领导这项研究的Peter Banzer教授说：“在某种程度上，光的相位和偏振以及强度在空间上的变化很好的反映了样品的细节，就像一个物体的阴影告诉我们物体本身的形状一样”，“然而，如果在相互作用后只测量整体光功率，那么大部分的信息都会被忽略。”

        研究人员开发了一种新的测量和成像方法，可以解析小于光衍射极限的纳米结构。在光与样品相互作用后，该技术测量光强度以及光场中编码的其他参数。图片来源：由格拉茨大学的Jörg S. Eismann提供。

        研究人员使用他们的方法研究了含有不同尺寸金纳米粒子的基本样品，在扫描样品上感兴趣的区域后，他们记录了透射光的偏振和角度分辨图像，并使用自定义算法评估了测量数据。该算法构建了一个精确反映测量数据的纳米粒子集合模型，而且为研究人员提供了有关粒子数量、位置和大小的信息。该团队通过将实验结果与基准扫描电子显微镜图像进行比较验证了实验结果。
 

       Banzer说：“虽然粒子及其间距远小于许多显微镜的分辨率极限，但是我们的方法能够解决这一问题”，“此外，更重要的是该算法能够提供有关样品的其他参数，例如颗粒的精确尺寸和位置。”大多数可以解析超出衍射极限的图像的显微镜技术，例如超分辨率显微镜，是需要先用荧光标记对样品进行修饰，不依赖于任何形式的样品修改的超分辨率技术提高分辨率的能力是非常有限的。

       Banzer说：“传统显微镜技术的分辨率与用荧光标记的标本的超分辨率技术相比是非常有限的，我们新的激光扫描显微镜技术可以缩小二者之间的差距”，“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全无创的，这意味着它在成像之前不需要将任何荧光分子注入样本中。”

       现在，研究人员正在优化该方法，以致于将其用到更复杂的样本中。他们认为，通过优化与样品相互作用的光的结构和将基于人工智能的方法整合到图像处理中可以扩展该方法的功能。除了强度之外，该团队还致力于开发一种能够解析偏振和相位信息的相机，下一代探测设备的开发是欧洲项目的一部分，被称为SuperPixels。

       测量纳米颗粒的分布是科学中的一项常见任务，并且该技术可用于众多科学学科以重建复杂的纳米结构和结构排列。Banzer说：“我们的方法可以帮助扩展显微镜的应用，以满足研究各种样品中纳米结构”，“我们的研究再次证明了光结构可以在光学和基于光技术领域中发挥关键作用。”

       该研究成果发表在光学期刊《Optica》上。 (www.doi.org/10.1364/OPTICA.450712）。