光晶元讓一般顯微鏡具有納米級解析度

新技術可以把普通的顯微鏡變成超解析度納米顯微鏡。

一個來自德國和挪威的物理學家團隊研發出一種可使傳統顯微鏡擁有納米級解析度的光晶元。研究人員聲稱：光晶元不僅為更多的人開啟了使用納米顯微鏡的大門，而且批量生產的光晶元將比當前依賴於複雜顯微鏡的納米顯微技術提供更大的視野範圍。

納米顯微鏡又稱為超解析度顯微鏡。科學家藉助納米顯微鏡可以觀察到比衍射極限還小的物質，衍射極限大約是可見光波長的一半。納米顯微鏡的解析度高達20~30納米，大約要比普通顯微鏡高10倍。這些技術在生物和醫學研究領域有很重要的應用，有望增進我們對疾病的理解，並改善醫療診斷。

德國比勒費爾德大學的物理學家MarkSchüttpelz解釋道：「標準的光學顯微鏡的解析度主要受到光的衍射極限的限制，這使得顯微鏡對可見光的解析度介於200~300納米。但是，許多結構的尺寸，尤其是諸如細胞區室之類的生物結構都是小於衍射極限的。在這裡，超解析度將為我們理解細胞打開新的視角，通過觀察蛋白質在細胞內的『工作情況』，可以更好地理解細胞的結構和動態變化。」

又貴又麻煩

大多數的納米顯微技術都是要先用熒光染料標記待成像樣品內的分子。之後，再用一種特殊的顯微鏡照射樣品，然後在納米精度下確定單個熒光分子的位置，並最終成像。但是，這些技術的問題在於它們需要使用昂貴且複雜的設備。Schüttpelz說：「獲得超解析度圖像並不是一件簡單直接的事情。雖然在市場上有一些相當昂貴的納米顯微鏡，但是要想獲得高質量的納米級解析度圖像還得需要經過訓練的且經驗豐富的操作人員。」

為了解決上述問題，Schüttpelz及其同事完全改變了當前的顯微技術。他們不再是將樣品放在結構複雜的顯微鏡的載玻片上，而是將簡單的顯微鏡與複雜且高產量的光晶元相結合來成像，其中光晶元用以放置和照射樣品。

挪威北極大學的物理學家BalpreetAhluwalia解釋道：「我們的光晶元技術可以改裝任何標準的顯微鏡，從而使其解析度達到納米量級。」

刻蝕凹槽

光晶元實質上是一個波導，有了光晶元，顯微鏡不再需要安裝能激發熒光分子的光源。它由五個25~500微米寬的刻蝕凹槽構成，這些凹槽被刻蝕在能使光發生全反射的複合材料上。

光晶元是由兩台通過透鏡或透鏡光纖耦合到其上的固體激光器所照射。兩種不同波長的光被很好地限制在凹槽內，從而照射置於晶元上的樣品。顯微鏡上的透鏡和照相機記錄下了熒光信號，並利用所獲得的數據構建出樣品的高解析度圖像。

研究者使用肝臟細胞的成像來檢測光晶元的效果。他們證實：不足30秒，便可獲得視野範圍為0.5 × 0.5 平方毫米且解析度約為340納米的圖像。目前為止，這是一種快到足以獲取細胞中生命動態的技術。若成像時間大於30分鐘，則在同樣大小的視野範圍，其解析度可達到140納米。使用該晶元同樣可以獲得解析度小於50納米的圖像，但是需要更高放大率的透鏡，而且必須將視野範圍限制在150微米左右。

大量細胞

Ahluwalia在《物理世界》上說：「在納米顯微學中使用光晶元的優勢在於它能夠分離入射的光並能探測入射光的傳播路徑，且藉助波導可以照亮更大的視野範圍。」他還補充說：「利用這項技術，我們的團隊可以獲得比其他顯微技術大100倍的超分辨圖像。」這項技術使得將50個活細胞呈現在一張圖像上成為可能。

據Schüttpelz所說:「該技術是納米光學顯微鏡發展的轉折點。不僅高度專業化的實驗室能獲得超解析度的圖像，而且全球的許多科學家都能改裝標準顯微鏡以使用波導晶元，從而使標準顯微鏡成為超解析度的顯微鏡。在不遠的將來，任何人都可以以較低的成本使用納米顯微鏡。」

作者：Michael Allen

翻譯：邱雲

校審：趙昌昊

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