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光学工程
“镜里乾坤”:干涉增强提升超分辨显微之分辨率

镜子或许是人类最早发明的光学器件。迄今为止,它仍然在我们日常生活中扮演着重要角色。通过将一个简单的反射镜面引入生物样品平台当中,北京大学席鹏课题组解决了一个长期以来困扰科学家的问题:将显微镜的三个维度的分辨率同时提升,以便对细胞进行更好地观察。


图1. MEANS的原理示意图以及利用MEANS-STED对细胞核孔蛋白的观察结果

通常,显微镜由于仅能收集朝向探测器传播的光,因而便损失掉了透过样品的光,由此造成轴向分辨率(600 nm以上)比水平分辨率(200 nm)要低。那么能否实现有效利用透射光以提高显微系统的分辨本领?

该课题组所发展的镜面增强技术(MEANS)巧妙地利用了透射光与入射光的干涉效应,从而实现了轴向分辨率的大幅提高。在实验中,通过在样品上方加装一面反射镜,当透射光到达镜面后会发生反射。反射波会和入射波发生相互干涉,形成一层约100 nm的干涉增强层。干涉增强层将成像平面约束在其中,由此导致该技术所达到的轴向分辨率与传统的共聚焦显微技术相比提升了6倍。

MEANS技术与另一种利用倏逝波实现近场约束的显微手段——TIRF技术形成了互补,二者结合可以将处于细胞不同层面的精细结构清晰地显示出来(图1)。相关工作发表在Light: Science & Applications [5, e16134 (2016)]上。

值得一提的是,MEANS技术只要求稍微改变样品制备过程(将镜子加入样品后方),且不需要改变系统的光路,因此可以与几乎所有共聚焦技术完美地结合。该研究团队在多色共聚焦、转盘式共聚焦、多光子等不同系统上应用这一方法都成功地实现了轴向超分辨。

MEANS技术的另一个特点是,将其与STED超分辨技术结合后,不仅能够提升STED的轴向分辨率,同时能够使得STED在不增加光强的条件下,横向分辨率也得到提升。

由于STED的分辨率与光场强度呈根号反比的关系,理论上,通过大幅提高STED激光强度,是可以提升分辨率的。然而,由于生物样品能够承受的光强有限,因此通过增加光强以实现高分辨率的方案并不现实。

而MEANS通过干涉增强,能够使光场强度提高3.6倍,也即是说,在不增加入射光强的前提下,分辨率便能够提升约2倍。这一发现对于生物样品成像的应用至关重要。

该研究工作利用MEANS增强的STED实现了19nm 的分辨率。这也是STED超分辨在生物样品上达到的分辨率的最高纪录。利用三维分辨率的提升,研究人员还揭示了人类呼吸道合胞体病毒丝的精细结构,这是常规超分辨技术所无法观测到的。

该成果发表后,得到了Nature Photonics的亮点报道,以及多家国际媒体如ScienceDaily, BioOpticsWorld, Nanotechnology World等的高度评价。


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