开启暗场成像新纪元 中国科学技术大学的最新技术突破衍射极限束缚

基于光子晶体随机散斑照明的超越衍射极限无标记暗场成像新技术

中安在线、中安新闻客户端讯，近日，中国科学技术大学的张斗国教授课题组取得重大突破。
他们结合微纳光学的光场调控技术和计算光学显微成像技术，提出了一种全新的基于光子晶体随机散斑照明的无标记暗场成像技术。
这一技术的突破，不仅将拓展暗场显微镜的潜在应用领域，而且能提供传统暗场显微技术无法捕捉的样品细节信息。
相关研究成果已直接发表在美国《国家科学院院刊》。

一、技术背景与突破

随着科学技术的发展，显微镜在科研领域的应用日益广泛。
传统的显微镜技术在分辨率和成像质量上存在一定的局限性。
张斗国教授课题组此次提出的基于光子晶体随机散斑照明的无标记暗场成像新技术，正是为了突破这一局限。

二、研究过程与原理

课题组首先利用前端物理域的亚波长结构光子晶体的光场调控特性，实现了大角度和全内反射表面波的随机暗场散斑照明。
这种照明方式可以有效地提高成像的对比度和分辨率。

紧接着，课题组将这一技术与后端数字域的信息处理技术有机结合，最终实现高对比度、高分辨率的无标记暗场和表面切片成像。
值得一提的是，该技术不需要复杂的光学系统对准和精准预知的照明模场，成像系统架构简洁。

三、技术实现与应用

研究中，张斗国课题组利用一维光子晶体和多模光纤波导等微纳结构组成的平面型器件来实现随机暗场散斑照明的功能。
这种平面型器件体积小、易于集成，并且直接兼容传统的明场显微镜。

四、实验验证与结果

课题组通过前焦面和后焦面成像系统对平面器件生成的照明光场特性进行表征分析，实验结果与理论设计完全吻合。
研究人员将所制备的平面型随机暗场散斑照明器件用于传统明场显微镜的载物平台，无需对成像系统进行任何修改，即可实现随机暗场散斑照明显微镜的搭建。

为了验证该技术的有效性，研究人员进行了多组实验。
通过拍摄200帧不同散斑照明的样品图像，并结合Blind-SIM重建算法，成功重构出超分辨率图像。
在实验中，他们利用波长633纳米的光对直径200纳米的不同间距聚苯乙烯球进行成像，并通过与传统暗场显微镜、明场显微镜以及电子显微镜的成像效果进行对比，验证了随机暗场散斑照明显微镜的高对比度和高分辨率性能。

实验结果表明，该方法将无标记暗场成像的空间分辨率提升了1.55倍，突破了该成像系统的阿贝衍射极限分辨率。
研究人员还利用聚合物纳米线验证了该系统在切换工作波长后具有表面切片成像的能力。

五、总结与展望

张斗国教授课题组提出的基于光子晶体随机散斑照明的无标记暗场成像技术，为显微镜技术开辟了新的方向。
这一技术的突破不仅提高了成像的对比度和分辨率，而且简化了成像系统的复杂性。
未来，该技术有望在生物医学、材料科学、环境监测等领域得到广泛应用。

随着研究的深入和技术的进步，我们期待这一新技术能在更多领域发挥更大的作用，为科学研究提供更加细致、准确的视觉信息。
同时，也希望张斗国教授课题组在未来能够继续取得更多的突破性成果，为科学技术的发展做出更大的贡献。

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