浙江大学刘旭、杨青团队提出可与光子芯片集成的三维可调移频显微成像，使线性成像系统无需特殊荧光标记而摆脱衍射极限。该成果以封面文章刊发于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2021年第9期。
![]()
超分辨显微成像的实现，既可以通过在空间域进行点扩散函数压缩，也可以基于移频效应来扩展探测频谱。两者相比，后者在实现大视场、快速显微成像上具有重要优势。其中，高波矢倏逝波照明的移频显微技术可将显微物镜通频带范围外的超高频信息移到低频区实现远场探测，是实现深亚波长分辨、大视场、快速显微成像的有效途径。然而，当移频量超过通频带孔径的两倍以上时会导致缺频现象，使成像结果出现严重的散斑和模糊，因此传统线性移频显微成像的分辨率最高只能提升至阿贝衍射极限的三倍，如图1所示。
最近，研究者提出了片上三维可调深移频超分辨显微成像技术，使线性系统的分辨率提升从根本上摆脱了探测孔径的限制，弥补了2014年诺贝尔奖所授予的主流方法的不足——即一方面需要特殊荧光标记，另一方面需要耗时的点扫描过程或拍摄上千帧原始图像。同时，相比传统超分辨显微成像技术，该方法基于片上波导照明实现，具有可集成化、低成本、高稳定性的优点，可进一步与微流控、光电功能芯片进行集成，为现代生物学难题的研究提供多功能综合性研究平台。![]()
图1. 缺乏“可调”方法导致的移频缺频示意图。（a），传统深移频下可探测的空间频谱范围和缺频区；（b），缺频时的成像呈现出严重散斑和模糊。研究相关的论文题为 “Chip-compatible wide-field 3D nanoscopy through tunable spatial frequency shift effect”，为SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy近期出版的2021年第9期封面文章，由浙江大学杨青教授和刘旭教授担任论文通讯作者。近年来，刘旭和杨青教授团队率先将高波矢倏逝波照明用于移频成像，并与微纳光纤和光学薄膜波导等集成光子器件结合，实现了片上宽场、远场、无标记的移频超分辨成像，成像分辨率可达亚百纳米，视场比其他无标记显微方法提升了1~2个数量级。然而，当移频量超过探测孔径的两倍以上时，由于高频信息与低频信息间的频谱缺失，成像结果面临严重的散斑和模糊问题。因此，线性移频显微成像系统的理论分辨率最多只能提升至阿贝衍射极限的三倍。杨青教授介绍：“在我们的研究中，为了解决缺频问题，实现深亚波长分辨率，我们提出了可调深移频成像的思路以及多种移频量调节的方法。早期，我们通过波长调节实现可调移频，但波长范围有限，因此我们必须寻找其他大范围可调的移频成像机制。”该研究报道了一种可与光子芯片兼容的大范围三维可调深移频成像方法，使移频成像的分辨率提升从根本上摆脱了探测孔径的限制，不再具有理论极限。在横向上，可通过控制两个倏逝波的横向传播方向来调节干涉照明图案的空间频率，如图2所示。该调节方法具有主动式、宽范围的特点，基于该方法可实现对物体频谱域大范围、无缺频的探测。在纵向上，通过饱和层析效应来调节照明频率，进而实现纵向超分辨显微成像。最终纵向上的超分辨深度信息可与横向超分辨信息叠加，可实现片上三维超分辨显微成像。![]()
图2. 基于高折射率波导材料的可调深移频超分辨显微芯片。通过不同输入口的模式相互干涉，可实现移频量的大小和方向调节，右上角显示了可调深移频下探测到的完整频谱。通过使用可见光波段的高折射率低损耗光学介质磷化镓材料作为介质波导，研究者从理论上证明了可以实现λ⁄9的横向分辨率与~λ⁄200的纵向分辨率（物镜数值孔径为0.9），如图3所示。研究者还通过引入具有超高折射率的超材料作为波导，展示了该方法的分辨率提升不受探测孔径限制的特点，即分辨率可以通过提高波导折射率来实现进一步提升。除了大幅提升分辨率之外，相比于经典的基于结构光照明的非可调移频显微成像技术，该方法表现出了更强的抗噪能力。![]()
图3. 三维可调深移频成像。（a），三维样品空间分布图，显示的颜色对应于纵向深度；（b），不同激发强度下的辐射强度纵向分布曲线。基于饱和层析效应，可实现纵向可调移频成像；（c），不同深度处的二维超分辨图像；（d）~（e），峰值光子数为106和102时重构出的三维超分辨图像；（f），对应于图（d）~（e）中曲线Ⅰ的真实和重构深度分布图；（g）~（h），对应于图（d）~（e）中所有样品点的深度重构偏差的统计分布；（i），对应于图（d）~（e）中位置Ⅱ处的光强分布，横向分辨率为70 nm。据刘旭教授评论，由于该方法可基于片上波导实现，因此可设计为量产化的紧凑式显微模块，安装在普通显微镜上，使其具备快速、大视场、深亚波长分辨率的三维显微能力。随着微纳加工技术的提高，以及光子集成生产线的建立，片上集成光子芯片可以随之降低成本，实现量产化。该研究对推进深亚波长超分辨显微成像在生物医学、生命科学和材料科学等领域的实际应用具有重要意义。该项研究得到了国家自然科学基金(Grant Nos.61735017, 61822510, 62020106002, 61905097, 62005250)，浙江省自然科学基金 (Grant No. LR17F050002)的资助。共同第一作者，毕业于浙江大学光电科学与工程学院，现任之江实验室超级感知研究中心高级研究专员，研究方向为基于照明调控的片上移频超分辨显微成像技术、多模态计算显微成像技术。
共同第一作者，浙江大学光电科学与工程学院博士研究生，研究方向为光子集成芯片及其超分辨显微成像应用。
浙江大学光电科学与工程学院教授，国家优秀青年科学基金获得者，研究方向为基于微纳光子的智能传感和成像，研发了超分辨显微芯片、基于光子学的微型电场传感器，高分辨智能缺陷检测系统、超细径多方位高分辨内窥成像系统等基于微纳光子技术的新型光学传感及成像器件和仪器，产学研结合，推进所研发产品在生物、医疗、材料和集成光电子等方面的应用。获得国家技术发明奖二等奖（2019）、中国光学学会“光学科技一等奖”（2018）、浙江省科学技术一等奖（2008）、世界先进材料奖（2017）等。
浙江大学光电科学与工程学院教授。教育部“长江学者”特聘教授，国家教学名师奖获得者，中国光学学会会士，美国光学学会会士（OSA Fellow）。长期从事光学薄膜技术与光学显示、成像方面的研究与教学工作。曾提出新颖的利用薄膜导波传输衰减来表征测试高质量光学薄膜微弱损耗的方法，并在国内率先系统地开展了光学薄膜低压等离子体离子镀和超分辨成像的研究工作。是973超分辨光学显微成像项目的首席科学家，主持科技部973、863、自然科学基金委重大仪器、重点基金等科研项目的研究，发表SCI收录论文278篇，获得国家发明专利226项，其中国际发明专利13项，为我国超分辨光学显微以及高清投影显示成像产业的发展做出贡献。第一发明人获得国家技术发明奖、国家科技进步二等奖等奖项。
文章信息：[点击下方链接或阅读原文]
Xiaowei Liu, Mingwei Tang, Chao Meng, Chenlei Pang, Cuifang Kuang, Wei Chen, Clemens F. Kaminski, Qing Yang, and Xu Liu, Chip-compatible wide-field 3D nanoscopy through tunable spatial frequency shift effect, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2021, 9 (294211).
![]()
![]()