西电王晓蕊团队在暗场显微镜的超分辨成像研究中获得重要进展

近日，西安电子科技大学王晓蕊教授团队在暗场显微镜的超分辨成像领域获得重要研究进展，相关实验结果已发表在美国光学学会Optics Letters 期刊的最新一期。该成果在光学超分辨成像、纳米检测、生物成像等领域具有很高的应用价值。

由于衍射极限的存在，普通的光学显微镜分辨率被限制在半波长量级，约200 nm。长期以来，为突破这一极限，科学家们提出了很多改进方案，比如STED，STORM，PALM等荧光显微镜，再比如结构光照明显微镜SIM、近场扫描光学显微镜NSOM等。其中NSOM就是利用纳米探针散射样品表面包含高频空间信息的倏逝波来探测样品表面轮廓，从而达到纳米级的成像分辨率。然而NSOM需要逐点扫描，成像效率低，且不适用于生物样品等。为快速获取样品表面的高频空间信息，该论文采用了倏逝波近场照明技术，以获取样品表面的超分辨图像。当平面波入射到样品表面时，反射光波前会受到样品表面轮廓的调制，其波前中的低频成分可以传播出去，形成传播波，而高频部分则被限制在样品表面，形成倏逝波。根据光路可逆性原理，当近场倏逝波照射样品表面时，则会被样品表面散射而形成包含其高空间频率信息的传播波，从而被远场物镜所接收，达到超分辨成像的效果。为此，该论文提出了一种以微粒近场散射光为照明光源的超分辨成像系统，其工作示意图如下图所示。

利用三维位移平台控制的微纳光纤，将透明微粒推至所需成像的位置。由于微粒表面的折、反射和散射，使其周围存在一定强度的倏逝波。被倏逝波照明区域内的微纳结构将倏逝波散射，形成传播波，并被显微物镜所接收。为比较近场照明对成像分辨率的提高，论文对比了三种成像模型。一是明场模式BF，二是暗场模式DF，三是微粒散射光近场照明的暗场模式DF+MP，实验结果如下图所示。在明场和暗场模式下，20×和100×物镜均无法对样品（线宽180nm，周期300nm的蓝光光盘）进行成像。而在DF+MP模式下，使用20×物镜（NA=0.3）时，样品表面的光栅结构隐约可见；而当使用100×物镜（NA=0.9）时，其表面的光栅结构清晰可见。因此在近场照明情况下，暗场显微镜的分辨率显著提高。

 

从上图的成像效果我们发现，当倏逝波的方向和样品表面光栅矢量方向一致时，成像效果很好，而在与之垂直的方向上，则依然无法清晰成像。为进一步验证成像的方向选择性，研究人员又使用了标准显微镜分辨率校准样品MetroChip进行成像，如下图（a）所示。为解决成像的方向选择性问题，研究人员提出了环形照明模式（c）和顶端照明模式（e），即使得被照射区域同时包含各个方向的倏逝波，从而克服成像的方向选择性问题，成像结果分别如图（d）和（f）所示。

 

该成果为近场照明超分辨成像技术拓展了照明方法和照明模式，为进一步的超分辨成像奠定了基础。成果可应用于特定的微纳样品的成像和检测，比如半导体器件的光学检测、亚波长光栅样品的快速超分辨成像等。

论文第一作者为凌进中博士，通讯作者为王晓蕊教授，第一单位是西安电子科技大学。

全文链接：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-6-1265