超分辨宽视场光学显微镜

可见光超分辨光学显微镜在生物、医学和农业、畜牧业等等有关领域可以大有作为，是一切以细胞研究为基础的学科的基本研究工具之一，它将显微镜的分辨率提高了一倍（与目前使用中的分辨率最高的激光共聚焦显微镜比较），而且新显微镜不利用激光作为光源，对于细胞的正常活动的干扰几乎没有。。

“超分辨宽视场光学显微镜”项目源于国家自然科学基金面上项目“非探针扫描近场光学显微成像术研究”和同名国家自然科学基金科学仪器专项基金：“非探针扫描近场光学显微成像术研究”。主要完成者为机械学院仪器科学与技术系叶梅、叶虎年、杨新立等人。

本项科学仪器基础研究旨在解决不要采用纳米探针扫描，而依靠亚波长（纳米）小孔阵列的特异增强透射光的作用，对于目标进行二维分割并且提取各个纳米小区的信息，得到宽视场的超衍射限空间分辨能力的图像。

本项成果的创新性在于：解决了自1998年Nature发表了Ebbesen的发现亚波长小孔阵列具有奇异透光现象的论文以来，许多研究者期望解决“亚波长小孔阵列成像”的梦想。首次初步实现了亚波长小孔阵列直接实现全场超衍射限光学成像。达到的空间分辨能力为优于100纳米，并且是在多个波长都能实现这种分辨能力。研发的新型仪器特点为：1、不依赖激光光源；2、不依赖荧光效应；3、不依赖任何对细胞的标记物及纳米针尖近场逐点扫描。只要普通白光照明的亚波长小孔阵列即可成像。

关于全场超分辨光学成像，此前是在2008年Science刊物上曾经报告过的美国和德国联合研究的100纳米分辨能力的结构光照明多色成像。

图1是课题组2012年12月实验研究略小于100纳米小孔的阵列孔板的可见光显微成像所获得的该阵列孔板的图像，小孔阵列制作在金薄膜上。采用FIB（聚焦离子束）加工，由于阵列比较小、CCD摄像头灵敏度不够高，光积分时间比较长，以至于地面的震动影响到图像，产生了一定重影。但是小孔阵列中的一个个纳米小孔的像(偏白色的一个个小块组成的行、列)是可以分辨的。如果能够采用高灵敏的摄像头可以进行更高分辨率的实验，对于细胞展开超衍射限分辨能力的成像研究，发展80纳米分辨率的全场成像实验系统。

图1：可见光显微成像获得的阵列孔板的图像

可见光波段的超分辨显微镜已经获得两项国家发明专利授权， 2013年作为国家自然科学基金科学仪器专项研究成果被国家基金委收集。

课题组将继续开展100纳米分辨率这一档次显微镜仪器的产业化研发。

另外，在上述工作的基础上课题组再次获得国家自然科学基金的支持，进行太赫兹波段的显微分析仪器的前期研究。新的项目为“超分辨率太赫兹近场光学显微术”（U1230109），也是一种用途广泛的基本研究仪器，研究目标是：在太赫兹波段对目标实施亚衍射分辨率的成像光谱探测。

太赫兹波段的单光子能量只有几个毫电子伏特，这种能量级别与生物、医学，化学学科中的许多特定“微元”的运动能量相当，能够成为这些领域的新的强有力的分析工具。太赫兹科学技术已经在多个发达国家得到极大重视并且取得了许多进展。

（供稿：叶梅）