超分辨顯微技術(shù),是指具有超出傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)分辨率極限的顯微技術(shù),其通過采用多種創(chuàng)新的近場或遠(yuǎn)場的激發(fā)與探測技術(shù),獲取物體散射光場的高頻分量或減小照明光斑和收集區(qū)域,進(jìn)而打破傳統(tǒng)顯微鏡的阿貝-瑞利衍射極限限制,獲得觀察并記錄微觀世界中更微小、更精細(xì)的結(jié)構(gòu)的能力。超分辨顯微技術(shù)在生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)和其它相關(guān)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
超振蕩透鏡(Super-oscillatory lens),是指通過微納結(jié)構(gòu)對光場的波前進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,在特定位置可獲得比透鏡數(shù)值孔徑對應(yīng)空間頻率更高的空間頻率分量,進(jìn)而獲得超分辨聚焦能力的一種新型平面衍射透鏡。
焦深,對成像系統(tǒng)來講指在其焦點(diǎn)附近像可保持相對清晰的范圍;對于聚焦透鏡來講指其聚焦光斑可被用于照明的光軸方向的范圍。焦深決定了圖像深度信息的獲取。
消色差,是指透鏡克服色差的能力。色差是當(dāng)光線穿過透鏡或衍射光學(xué)元件時,不同顏色的光匯聚在不同位置的現(xiàn)象。消色差是平面衍射透鏡的主要研究方向之一,對成像及生物樣本光譜采集至關(guān)重要。
超振蕩顯微成像技術(shù),是指以超振蕩透鏡為照明系統(tǒng)替代傳統(tǒng)透鏡,以共聚焦顯微系統(tǒng)為基本框架搭建的超分辨顯微成像系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的超分辨顯微技術(shù),其定制化的光場分布有望在遠(yuǎn)場超分辨的基礎(chǔ)上同時實(shí)現(xiàn)長焦深和消色差。
目前超振蕩透鏡仍存在幾個亟需解決的問題:
高數(shù)值孔徑引起的高度光場壓縮,導(dǎo)致相對較短的焦深;
高強(qiáng)度的旁瓣導(dǎo)致超振蕩透鏡的視場相對較??;
光的波動性導(dǎo)致的衍射色差;
數(shù)十微米左右的工作距離(焦距),導(dǎo)致應(yīng)用場景受限。
因此,設(shè)計一種同時滿足消色差、超分辨、超大工作距離、長焦深且可低成本、晶圓級制造的高數(shù)值孔徑平面光學(xué)透鏡是當(dāng)前研究的關(guān)鍵難題,亟需解決以滿足其在超分辨顯微鏡關(guān)鍵裝備中不斷升級的成像與檢測需求,新一代“完美透鏡”革命蓄勢待發(fā)。
近日,西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院微系統(tǒng)工程系與香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合作在平面超分辨多色立體顯微成像研究中取得重要進(jìn)展,相關(guān)研究成果以“Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus”為題發(fā)表在Nature Communications。西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授與虞益挺教授聯(lián)合培養(yǎng)的博士后李文麗為該論文的第一作者,機(jī)電學(xué)院與寧波研究院為第一作者單位。虞益挺教授與雷黨愿教授為本文的通訊作者。
針對光學(xué)透鏡在帶寬、視場與分辨率之間存在的突出瓶頸,以平面超振蕩透鏡為研究對象,提出多焦點(diǎn)拼接延長焦深及多波長復(fù)消色差可控優(yōu)化設(shè)計方法,實(shí)現(xiàn)了0.76數(shù)值孔徑、428 μm大工作距離、聚焦效率>11.2%,三波長(488nm /532nm /640nm)激發(fā)下焦深均大于10倍波長的光針光場,整體表現(xiàn)超過了現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的結(jié)果。將藍(lán)、綠、紅三束遠(yuǎn)場光針光場重疊,可實(shí)現(xiàn)多波長超分辨立體顯微成像:通過分辨率標(biāo)定實(shí)驗(yàn),量化了超振蕩透鏡的超分辨能力(空氣中488nm入射波長可實(shí)現(xiàn)0.3λ的分辨率);通過無軸向面內(nèi)掃描,實(shí)現(xiàn)對三維楔形結(jié)構(gòu)的立體成像;此外,還展示了對一定厚度的生物樣品進(jìn)行多波長熒光成像的能力。這些功能是商用明場顯微鏡及共聚焦顯微鏡無法實(shí)現(xiàn)的。
多焦點(diǎn)拼接延長焦深及多波長復(fù)消色差可控優(yōu)化設(shè)計方法
傳統(tǒng)衍射光學(xué)元件中存在著一個與數(shù)值孔徑相關(guān)的內(nèi)在制約關(guān)系,涉及焦深、焦斑尺寸和色差。針對該制約關(guān)系,我們建立了一種新的多目標(biāo)優(yōu)化策略,以達(dá)到優(yōu)化、權(quán)衡該制約關(guān)系的目的;在實(shí)現(xiàn)超分辨的同時,最大程度地增長焦深并減小色散。首先通過軸向聯(lián)合多焦點(diǎn)方法擴(kuò)展焦深,并在各個波長的情況下(如圖1所示)將旁瓣強(qiáng)度以及主瓣半峰寬最小化,然后使三個不同波長(例如藍(lán)光、綠光和紅光)生成的次衍射“針狀”光場在空間上重疊。優(yōu)化設(shè)計結(jié)果突破了經(jīng)典光學(xué)理論中帶寬、視場與分辨率之間的固有矛盾,實(shí)現(xiàn)了軸向均勻、旁瓣抑制的消色差超振蕩透鏡,數(shù)值孔徑為0.76,在428 μm焦距下的聚焦效率為11.2%,在三個入射波長(488nm/532nm/640nm)下的焦深均大于10倍波長,處于現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的領(lǐng)先水平。
圖1:多焦點(diǎn)拼接延長焦深及多波長復(fù)消色差可控優(yōu)化設(shè)計方法
無需軸向掃描的多色超分辨立體顯微成像
基于多目標(biāo)優(yōu)化策略設(shè)計的超振蕩透鏡,將藍(lán)、綠、紅三束遠(yuǎn)場光針光場在焦平面重疊,搭建了多色超分辨立體顯微成像系統(tǒng)。通過對分辨率板進(jìn)行成像,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在空氣中無標(biāo)記成像遠(yuǎn)場分辨率極限可達(dá)到0.3λ(入射波長488nm)(如圖2所示)。
圖2:多色超分辨立體顯微成像系統(tǒng)對分辨率板的成像效果
不僅如此,優(yōu)越的長焦深特性更賦予了成像系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)勢,使其能夠一次性捕獲三維物體的整體細(xì)節(jié),而不需要額外的軸向(垂向)掃描。如圖3所示,研究人員成功地實(shí)現(xiàn)了對微納加工的三維楔形結(jié)構(gòu)的立體成像。
圖3:多色超分辨立體顯微成像系統(tǒng)對三維楔形結(jié)構(gòu)的成像效果
雙色熒光立體成像
當(dāng)觀察神經(jīng)元的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)時,內(nèi)部突觸總是位于不同的深度。為了能夠?qū)崟r繪制神經(jīng)元活動,具有高空間分辨率、大景深和消色差的照明透鏡將體現(xiàn)出更多成像優(yōu)勢。我們搭建的多波長超分辨立體顯微成像系統(tǒng)可以同時滿足這些功能需求。圖4展示了對兩種染料同時標(biāo)記的人類神經(jīng)元細(xì)胞進(jìn)行成像結(jié)果,表明:相比傳統(tǒng)大數(shù)值孔徑(NA=0.9)的寬場成像,該系統(tǒng)可在獲得高分辨率和雙色圖像的同時,還可捕獲了更深層部位的信息。另一方面,超振蕩透鏡的聚焦能量分布可以在主瓣和旁瓣之間進(jìn)行靈活的定制設(shè)計,一方面有利于減少對生物樣品的光損傷,另一方面為光學(xué)成像系統(tǒng)的定制化提供了便利。
圖4:傳統(tǒng)寬場成像和多色超分辨立體顯微成像系統(tǒng)對人類神經(jīng)元成像效果對比
總結(jié)與展望
高數(shù)值孔徑的長焦深、消色差超振蕩透鏡將促進(jìn)超振蕩透鏡在眾多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,如非侵入性的三維生物醫(yī)學(xué)成像、激光光束控制、多色光學(xué)相干斷層掃描成像、光譜顯微成像、芯片上實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及微納米加工。超振蕩透鏡所提供的定制光場模式在遠(yuǎn)場具有獨(dú)特的優(yōu)勢,將使生物成像更加靈活和高效。
它的未來挑戰(zhàn)和展望包括以下幾個方面:
更廣波長范圍的應(yīng)用:目前多數(shù)超振蕩透鏡針對特定波長范圍進(jìn)行設(shè)計,未來的挑戰(zhàn)之一是擴(kuò)展其適用波長范圍,以滿足多種應(yīng)用需求,包括多光譜成像和光譜分析。
更大數(shù)值孔徑:提高數(shù)值孔徑有助于提高分辨率和靈敏度,但也增加了設(shè)計和制造的復(fù)雜性。未來的設(shè)計與加工需要克服這些技術(shù)挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)更大數(shù)值孔徑的超振蕩透鏡。
多模式操作:實(shí)現(xiàn)超振蕩透鏡的多模式操作,允許在不同成像條件下切換,將增加其多功能性,但也需要更復(fù)雜的控制和反饋系統(tǒng)。
成像系統(tǒng)集成:將超振蕩透鏡集成到各種成像系統(tǒng)中,如顯微鏡、相機(jī)和其它光學(xué)設(shè)備,以簡化使用并擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。
論文信息
Li, W., He, P., Lei, D. et al. Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus. Nat Commun 14, 5107 (2023).
審核編輯:黃飛
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原文標(biāo)題:長焦深、消色差超振蕩透鏡,實(shí)現(xiàn)多色超分辨立體顯微成像
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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