中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張斗國(guó)教授課題組，結(jié)合微納光學(xué)的光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)和計(jì)算光學(xué)顯微成像技術(shù)，提出了一種基于光子晶體隨機(jī)散斑照明的超越衍射極限、無(wú)標(biāo)記暗場(chǎng)成像新技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Planar device–enabled speckle illumination for dark-field label-free imaging beyond the diffraction limit”為題，于2月20日以直接投稿的方式發(fā)表在綜合性國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)。

該項(xiàng)研究課題組利用前端物理域的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)光子晶體光場(chǎng)調(diào)控特性，實(shí)現(xiàn)了大角度和全內(nèi)反射表面波的隨機(jī)暗場(chǎng)散斑照明；有機(jī)結(jié)合后端數(shù)字域的信息處理技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度、高分辨率的無(wú)標(biāo)記暗場(chǎng)和表面切片成像。該成像技術(shù)不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)和精準(zhǔn)預(yù)知的照明模場(chǎng)，成像系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)潔，平面型光子晶體器件體積小、易于集成，直接兼容傳統(tǒng)的明場(chǎng)顯微鏡。這項(xiàng)成像技術(shù)的提出將拓展暗場(chǎng)顯微鏡的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，并提供傳統(tǒng)暗場(chǎng)顯微技術(shù)所不能看到的樣品細(xì)節(jié)信息。

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圖1.暗場(chǎng)散斑照明器件的原理示意圖及超分辨暗場(chǎng)成像效果圖

該工作中，張斗國(guó)教授課題組提出利用一維光子晶體和多模光纖波導(dǎo)等微納結(jié)構(gòu)組成的平面型器件來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)暗場(chǎng)散斑照明的功能，其設(shè)計(jì)原理示意圖如圖1a所示。研究人員利用前焦面和后焦面成像系統(tǒng)對(duì)該平面器件生成的照明光場(chǎng)特性進(jìn)行表征分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)吻合。進(jìn)一步，將所制備的平面型隨機(jī)暗場(chǎng)散斑照明器件用作傳統(tǒng)明場(chǎng)顯微鏡的載物平臺(tái)，無(wú)需對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行任何修改，就可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)暗場(chǎng)散斑照明顯微鏡（RDSIM）的搭建。通過(guò)拍攝200幀不同散斑照明的樣品圖像，結(jié)合Blind-SIM重建算法，就可以重構(gòu)出超分辨率圖像。實(shí)驗(yàn)中利用波長(zhǎng)633nm的光對(duì)直徑200nm的不同間距聚苯乙烯球進(jìn)行成像。通過(guò)對(duì)比RDSIM，傳統(tǒng)暗場(chǎng)，明場(chǎng)以及電鏡的成像效果，驗(yàn)證了RDSIM具有高對(duì)比度、高分辨率的暗場(chǎng)成像性能（如圖1c）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法將無(wú)標(biāo)記暗場(chǎng)成像的空間分辨率提升了1.55倍，突破了該成像系統(tǒng)的阿貝衍射極限分辨率。同時(shí)，研究人員利用聚合物納米線驗(yàn)證了該系統(tǒng)在切換工作波長(zhǎng)后具有表面切片成像的能力，如圖1d所示。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士生范澤滔、尤新祥為本論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心張斗國(guó)教授為本論文的通訊作者。該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省科技廳等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的儀器支持與技術(shù)支撐。

論文鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423223122