近日，西安電子科技大學(xué)王曉蕊教授團(tuán)隊(duì)在暗場顯微鏡的超分辨成像領(lǐng)域獲得重要研究進(jìn)展，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果已發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會(huì)Optics Letters 期刊的最新一期。該成果在光學(xué)超分辨成像、納米檢測、生物成像等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

由于衍射極限的存在，普通的光學(xué)顯微鏡分辨率被限制在半波長量級(jí)，約200 nm。長期以來，為突破這一極限，科學(xué)家們提出了很多改進(jìn)方案，比如STED，STORM，PALM等熒光顯微鏡，再比如結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡SIM、近場掃描光學(xué)顯微鏡NSOM等。其中NSOM就是利用納米探針散射樣品表面包含高頻空間信息的倏逝波來探測樣品表面輪廓，從而達(dá)到納米級(jí)的成像分辨率。然而NSOM需要逐點(diǎn)掃描，成像效率低，且不適用于生物樣品等。為快速獲取樣品表面的高頻空間信息，該論文采用了倏逝波近場照明技術(shù)，以獲取樣品表面的超分辨圖像。當(dāng)平面波入射到樣品表面時(shí)，反射光波前會(huì)受到樣品表面輪廓的調(diào)制，其波前中的低頻成分可以傳播出去，形成傳播波，而高頻部分則被限制在樣品表面，形成倏逝波。根據(jù)光路可逆性原理，當(dāng)近場倏逝波照射樣品表面時(shí)，則會(huì)被樣品表面散射而形成包含其高空間頻率信息的傳播波，從而被遠(yuǎn)場物鏡所接收，達(dá)到超分辨成像的效果。為此，該論文提出了一種以微粒近場散射光為照明光源的超分辨成像系統(tǒng)，其工作示意圖如下圖所示。

利用三維位移平臺(tái)控制的微納光纖，將透明微粒推至所需成像的位置。由于微粒表面的折、反射和散射，使其周圍存在一定強(qiáng)度的倏逝波。被倏逝波照明區(qū)域內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)將倏逝波散射，形成傳播波，并被顯微物鏡所接收。為比較近場照明對(duì)成像分辨率的提高，論文對(duì)比了三種成像模型。一是明場模式BF，二是暗場模式DF，三是微粒散射光近場照明的暗場模式DF+MP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。在明場和暗場模式下，20×和100×物鏡均無法對(duì)樣品（線寬180nm，周期300nm的藍(lán)光光盤）進(jìn)行成像。而在DF+MP模式下，使用20×物鏡（NA=0.3）時(shí)，樣品表面的光柵結(jié)構(gòu)隱約可見；而當(dāng)使用100×物鏡（NA=0.9）時(shí)，其表面的光柵結(jié)構(gòu)清晰可見。因此在近場照明情況下，暗場顯微鏡的分辨率顯著提高。

 

從上圖的成像效果我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)倏逝波的方向和樣品表面光柵矢量方向一致時(shí)，成像效果很好，而在與之垂直的方向上，則依然無法清晰成像。為進(jìn)一步驗(yàn)證成像的方向選擇性，研究人員又使用了標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡分辨率校準(zhǔn)樣品MetroChip進(jìn)行成像，如下圖（a）所示。為解決成像的方向選擇性問題，研究人員提出了環(huán)形照明模式（c）和頂端照明模式（e），即使得被照射區(qū)域同時(shí)包含各個(gè)方向的倏逝波，從而克服成像的方向選擇性問題，成像結(jié)果分別如圖（d）和（f）所示。

 

該成果為近場照明超分辨成像技術(shù)拓展了照明方法和照明模式，為進(jìn)一步的超分辨成像奠定了基礎(chǔ)。成果可應(yīng)用于特定的微納樣品的成像和檢測，比如半導(dǎo)體器件的光學(xué)檢測、亞波長光柵樣品的快速超分辨成像等。

論文第一作者為凌進(jìn)中博士，通訊作者為王曉蕊教授，第一單位是西安電子科技大學(xué)。

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