【2016中國(guó)光學(xué)重要成果推薦】北京大學(xué)席鵬課題組開發(fā)了一種鏡面增強(qiáng)的超分辨顯微技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)�傳統(tǒng)的共聚焦系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向超分辨系統(tǒng)。同時(shí)，這一技術(shù)能夠大幅提升STED超分辨的分辨率。利用這一技術(shù)，研究者首次揭示了細(xì)胞核孔和病毒絲的超分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)。

鏡子或許是人類最早發(fā)明的光學(xué)器件。迄今為止，它仍然在我們?nèi)粘Ｉ�活中扮演著重要角色。通過將一個(gè)簡(jiǎn)單的反射鏡面引入生物樣品平臺(tái)當(dāng)中，北京大學(xué)席鵬課題組解決了一個(gè)長(zhǎng)期以來困擾科學(xué)家的問題：將顯微鏡的三個(gè)維度的分辨率同時(shí)提升，以便對(duì)細(xì)胞進(jìn)行更好地觀察。

通常，顯微鏡由于僅能收集朝向探測(cè)器傳播的光，因而便損失掉了透過樣品的光，由此造成軸向分辨率（600 nm以上）比水平分辨率（200 nm）要低。那么能否實(shí)現(xiàn)有效利用透射光以提高顯微系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)？

該課題組所發(fā)展的鏡面增強(qiáng)技術(shù)（MEANS）巧妙地利用了透射光與入射光的干涉效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了軸向分辨率的大幅提高。在實(shí)驗(yàn)中，通過在樣品上方加裝一面反射鏡，當(dāng)透射光到達(dá)鏡面后會(huì)發(fā)生反射。反射波會(huì)和入射波發(fā)生相互干涉，形成一層約100 nm的干涉增強(qiáng)層。干涉增強(qiáng)層將成像平面約束在其中，由此導(dǎo)致該技術(shù)所達(dá)到的軸向分辨率與傳統(tǒng)的共聚焦顯微技術(shù)相比提升了6倍。

MEANS技術(shù)與另一種利用倏逝波實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)約束的顯微手段——TIRF技術(shù)形成了互補(bǔ)，二者結(jié)合可以將處于細(xì)胞不同層面的精細(xì)結(jié)構(gòu)清晰地顯示出來（圖）。相關(guān)工作發(fā)表在Light: Science & Applications [5, e16134 (2016)]上。

值得一提的是，MEANS技術(shù)只要求稍微改變樣品制備過程（將鏡子加入樣品后方），且不需要改變系統(tǒng)的光路，因此可以與幾乎所有共聚焦技術(shù)完美地結(jié)合。該研究團(tuán)隊(duì)在多色共聚焦、轉(zhuǎn)盤式共聚焦、多光子等不同系統(tǒng)上應(yīng)用這一方法都成功地實(shí)現(xiàn)了軸向超分辨。

MEANS技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是，將其與STED超分辨技術(shù)結(jié)合后，不僅能夠提升STED的軸向分辨率，同時(shí)能夠使得STED在不增加光強(qiáng)的條件下，橫向分辨率也得到提升。

由于STED的分辨率與光場(chǎng)強(qiáng)度呈根號(hào)反比的關(guān)系，而MEANS通過干涉增強(qiáng)，能夠使光場(chǎng)強(qiáng)度提高3.6倍，也即是說，在不增加入射光強(qiáng)的前提下，分辨率便能夠提升約2倍。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于生物樣品成像的應(yīng)用至關(guān)重要。

該研究工作利用MEANS增強(qiáng)的STED實(shí)現(xiàn)了19nm 的分辨率。這也是STED超分辨在生物樣品上達(dá)到的分辨率的最高紀(jì)錄。利用三維分辨率的提升，研究人員還揭示了人類呼吸道合胞體病毒絲的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是常規(guī)超分辨技術(shù)所無法觀測(cè)到的。

該成果發(fā)表后，得到了Nature Photonics的亮點(diǎn)報(bào)道，以及多家國(guó)際媒體如ScienceDaily, BioOpticsWorld, Nanotechnology World等的高度評(píng)價(jià)。

論文鏈接：

http://www.nature.com/lsa/journal/v5/n6/abs/lsa2016134a.html