中国科大提出一种超越衍射极限的无标记暗场成像新技术

中国科学技术大学张斗国教授课题组，结合微纳光学的光场调控技术和计算光学显微成像技术，提出了一种基于光子晶体随机散斑照明的超越衍射极限、无标记暗场成像新技术。相关研究成果以“Planar device–enabled speckle illumination for dark-field label-free imaging beyond the diffraction limit”为题，于2月20日以直接投稿的方式发表在综合性国际学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)。

该项研究课题组利用前端物理域的亚波长结构光子晶体光场调控特性，实现了大角度和全内反射表面波的随机暗场散斑照明；有机结合后端数字域的信息处理技术，最终实现高对比度、高分辨率的无标记暗场和表面切片成像。该成像技术不需要复杂的光学系统对准和精准预知的照明模场，成像系统架构简洁，平面型光子晶体器件体积小、易于集成，直接兼容传统的明场显微镜。这项成像技术的提出将拓展暗场显微镜的潜在应用领域，并提供传统暗场显微技术所不能看到的样品细节信息。

图.暗场散斑照明器件的原理示意图及超分辨暗场成像效果图

该工作中，张斗国教授课题组提出利用一维光子晶体和多模光纤波导等微纳结构组成的平面型器件来实现随机暗场散斑照明的功能，其设计原理示意图如图1a所示。研究人员利用前焦面和后焦面成像系统对该平面器件生成的照明光场特性进行表征分析，实验结果与理论设计吻合。进一步，将所制备的平面型随机暗场散斑照明器件用作传统明场显微镜的载物平台，无需对成像系统进行任何修改，就可以实现随机暗场散斑照明显微镜（RDSIM）的搭建。通过拍摄200帧不同散斑照明的样品图像，结合Blind-SIM重建算法，就可以重构出超分辨率图像。实验中利用波长633nm的光对直径200nm的不同间距聚苯乙烯球进行成像。通过对比RDSIM，传统暗场，明场以及电镜的成像效果，验证了RDSIM具有高对比度、高分辨率的暗场成像性能（如图1c）。实验结果表明，该方法将无标记暗场成像的空间分辨率提升了1.55倍，突破了该成像系统的阿贝衍射极限分辨率。同时，研究人员利用聚合物纳米线验证了该系统在切换工作波长后具有表面切片成像的能力，如图1d所示。

中国科学技术大学物理学院博士生范泽滔、尤新祥为本论文共同第一作者，中国科学技术大学物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心张斗国教授为本论文的通讯作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省科技厅等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、理化科学实验中心的仪器支持与技术支撑。

论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423223122

(物理学院、微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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