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纳米照明首次实现片上大视场无标记远场纳米显微成像
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    浙江大学光电学院刘旭教授、杨青教授团队利用微纳光源照明突破无标记远场超分辨显微成像的国际难题,成像视场相比其它无标记远场超分辨成像方法提升2个数量级以上。
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    亚波长分辨率的超分辨显微成像,对人类科学取得突破性发展至关重要。近年来,荧光标记型的超分辨显微技术发展迅速,并在2014年获得了诺贝尔化学奖。相比起来,无需标记的超分辨显微技术却一直发展缓慢,遇到了视场小、分辨率低、需近场扫描、适用性差的瓶颈,同时,生物、医学、材料学等领域却对无标记超分辨显微成像又提出了迫切需求。近年来国际上多个研究小组持续加大对无标记超分辨显微成像技术的研究力度,并取得了一定成果,如基于近场扫描、超透镜结构、微球接触的技术相继出现,但仍面临着光谱范围单一、视场小、速度慢等限制。探索并发展宽场、远场、结构/相位均能快速成像的新型无标记超分辨显微技术成为国内外各研究组持续关注的难点与热点。

    浙江大学现代光学仪器国家重点实验室杨青教授长期致力于微纳材料和微纳光子器件研究,取得一系列创新性成果。刘旭教授团队在超分辨显微领域取得了丰硕成果。以这些前期工作为基础,研究团队结合空间移频和斯托克斯移频,将环形纳米线作为高效局域光源与二维微纳波导耦合,实现了360度大波矢、部分相干、大面积倏逝场照明,在国际上首次实现了大视场的远场无标记超分辨显微成像,打破了目前超分辨显微领域的瓶颈,获得的视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级,且方便快捷、普适性强,在集成芯片、蓝光DVD、3T3 l1癌细胞等不同领域的亚波长样品上均得到了验证。该技术成本低廉、与广泛使用的显微镜系统具有优秀的兼容性,可设计成紧凑式照明模块使普通显微镜具备超分辨能力,为在纳米尺度上观测细胞活动提供了可能性,在生物医学、集成芯片和纳米材料等领域具有重要的应用前景,同时也为推进微纳发光器件的实际应用迈出了重要的一步。

    这种方法被称为纳米线环形照明显微术(Nanowire Ring Illumination Microscopy-NWRIM),在国际物理学顶级学术期刊《物理评论快报》发表 (Physical Review Letters 118, 076101 (2017) )。该成果发表后,于2018年3月13日入选“2017中国光学十大进展-应用研究类”,被认为“纳米照明首次实现片上大视场无标记远场纳米显微成像”。于2017年3月21日,以“我国学者在无标记远场超分辨领域取得突破”为题被中国科学网报道。

    这一方法可在纳米级别实现光学信息的快速获取,将极大地推动生物、医学、材料等国家前沿领域的发展,满足它们的迫切需求,因此具有广阔的应用前景和重要的发展潜力。它为我国高端光学显微镜以及超高分辨纳米探测仪器的“跨代式”发展提供了新的理论基础、核心器件及关键技术储备,不仅对提高我国显微镜设备的国际竞争力具有非常重大的实际价值,并将派生其它信息技术新产业,将对国民经济发展起到重要推动作用。另一方面,纳米制造技术是将纳米技术推向实用化和产业化的关键。灵敏、方便、快速的纳米超分辨光学获取技术与设备是保证纳米制造得以产业化的基本条件,因此发展出对纳米分辨光学信息快速获取的技术与装备,必将推进我国新兴产业的发展,促进我国更好更快地进入新兴工业强国的行列。


1. a,纳米线环形照明显微术的机理示意图;b,亚波长尺度的ZJU图案的扫描电镜成像;c,亚波长尺度的ZJU图案在纳米线环形照明显微术下的成像。


2. a-b,蓝光光碟(特征尺寸150纳米)在传统显微镜下(a)和在纳米线环形照明下(b)的显微成像;c-d,集成芯片在在传统显微镜下(c)和在纳米线环形照明下(d)的显微成像,图中白色框选区域被放大显示;ec-d中白色框选区域的扫描电镜成像;f,沿c-d蓝色虚线描绘的强度分布图。


图3. 研究团队合影,右二为杨青教授,右四为刘旭教授。


    相关论文:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.076101