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光芯片让一般显微镜具有纳米级分辨率

时间: 2017年05月24日 | 作者: Michael Allen | 来源: Physics world
新技术可以把普通的显微镜变成超分辨率纳米显微镜。

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一个来自德国和挪威的物理学家团队研发出一种可使传统显微镜拥有纳米级分辨率的光芯片。研究人员声称:光芯片不仅为更多的人开启了使用纳米显微镜的大门,而且批量生产的光芯片将比当前依赖于复杂显微镜的纳米显微技术提供更大的视野范围。

 

纳米显微镜又称为超分辨率显微镜。科学家借助纳米显微镜可以观察到比衍射极限还小的物质,衍射极限大约是可见光波长的一半。纳米显微镜的分辨率高达20~30纳米,大约要比普通显微镜10倍。这些技术在生物和医学研究领域有很重要的应用,有望增进我们对疾病的理解,并改善医疗诊断。

 

     德国比勒费尔德大学的物理学家MarkSchüttpelz解释道:“标准的光学显微镜的分辨率主要受到光的衍射极限的限制,这使得显微镜对可见光的分辨率介于200~300纳米。但是,许多结构的尺寸,尤其是诸如细胞区室之类的生物结构都是小于衍射极限的。在这里,超分辨率将为我们理解细胞打开新的视角,通过观察蛋白质在细胞内的‘工作情况’,可以更好地理解细胞的结构和动态变化。”

 

又贵又麻烦

 

大多数的纳米显微技术都是要先用荧光染料标记待成像样品内的分子。之后,再用一种特殊的显微镜照射样品,然后在纳米精度下确定单个荧光分子的位置,并最终成像。但是,这些技术的问题在于它们需要使用昂贵且复杂的设备。Schüttpelz说:“获得超分辨率图像并不是一件简单直接的事情。虽然在市场上有一些相当昂贵的纳米显微镜,但是要想获得高质量的纳米级分辨率图像还得需要经过训练的且经验丰富的操作人员。

 

为了解决上述问题,Schüttpelz及其同事完全改变了当前的显微技术。他们不再是将样品放在结构复杂的显微镜的载玻片上,而是将简单的显微镜与复杂且高产量的光芯片相结合来成像,其中光芯片用以放置和照射样品。

 

挪威北极大学的物理学家BalpreetAhluwalia解释道:“我们的光芯片技术可以改装任何标准的显微镜,从而使其分辨率达到纳米量级。”

 

刻蚀凹槽

 

光芯片实质上是一个波导,有了光芯片,显微镜不再需要安装能激发荧光分子的光源。它由五个25~500微米宽的刻蚀凹槽构成,这些凹槽被刻蚀在能使光发生全反射的复合材料上。

 

光芯片是由两台通过透镜或透镜光纤耦合到其上的固体激光器所照射。两种不同波长的光被很好地限制在凹槽内,从而照射置于芯片上的样品。显微镜上的透镜和照相机记录下了荧光信号,并利用所获得的数据构建出样品的高分辨率图像。

 

研究者使用肝脏细胞的成像来检测光芯片的效果。他们证实:不足30秒,便可获得视野范围为0.5 × 0.5 平方毫米且分辨率约为340纳米的图像。目前为止,这是一种快到足以获取细胞中生命动态的技术。若成像时间大于30分钟,则在同样大小的视野范围,其分辨率可达到140纳米。使用该芯片同样可以获得分辨率小于50纳米的图像,但是需要更高放大率的透镜,而且必须将视野范围限制在150微米左右。

 

大量细胞

 

      Ahluwalia在《物理世界》上说:“在纳米显微学中使用光芯片的优势在于它能够分离入射的光并能探测入射光的传播路径,且借助波导可以照亮更大的视野范围。”他还补充说:“利用这项技术,我们的团队可以获得比其他显微技术100倍的超分辨图像。”这项技术使得将50个活细胞呈现在一张图像上成为可能。

 

    Schüttpelz所说:“该技术是纳米光学显微镜发展的转折点。不仅高度专业化的实验室能获得超分辨率的图像,而且全球的许多科学家都能改装标准显微镜以使用波导芯片,从而使标准显微镜成为超分辨率的显微镜。在不远的将来,任何人都可以以较低的成本使用纳米显微镜。”

 

作者:Michael Allen

翻译:邱云

校审:赵昌昊

 

原文链接:http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/may/03/optical-chip-gives-microscopes-nanoscale-resolution


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