线性成像系统的分辨率不再理论受限？可调移频显微芯片带来突破

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。

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。

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。

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。

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文章信息：

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). https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/9/10.1007/s11433-020-1682-1?slug=fulltext

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