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光芯片讓一般顯微鏡具有納米級分辨率

一個來自德國和挪威的物理學(xué)家團(tuán)隊研發(fā)出一種可使傳統(tǒng)顯微鏡擁有納米級分辨率的光芯片。研究人員聲稱：光芯片不僅為更多的人開啟了使用納米顯微鏡的大門，而且批量生產(chǎn)的光芯片將比當(dāng)前依賴于復(fù)雜顯微鏡的納米顯微技術(shù)提供更大的視野范圍。

納米顯微鏡又稱為超分辨率顯微鏡?？茖W(xué)家借助納米顯微鏡可以觀察到比衍射極限還小的物質(zhì)，衍射極限大約是可見光波長的一半。納米顯微鏡的分辨率高達(dá)20~30納米，大約要比普通顯微鏡高10倍。這些技術(shù)在生物和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，有望增進(jìn)我們對疾病的理解，并改善醫(yī)療診斷。

德國比勒費爾德大學(xué)的物理學(xué)家MarkSchüttpelz解釋道：“標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡的分辨率主要受到光的衍射極限的限制，這使得顯微鏡對可見光的分辨率介于200~300納米。但是，許多結(jié)構(gòu)的尺寸，尤其是諸如細(xì)胞區(qū)室之類的生物結(jié)構(gòu)都是小于衍射極限的。在這里，超分辨率將為我們理解細(xì)胞打開新的視角，通過觀察蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的‘工作情況’，可以更好地理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化?！?

又貴又麻煩

大多數(shù)的納米顯微技術(shù)都是要先用熒光染料標(biāo)記待成像樣品內(nèi)的分子。之后，再用一種特殊的顯微鏡照射樣品，然后在納米精度下確定單個熒光分子的位置，并最終成像。但是，這些技術(shù)的問題在于它們需要使用昂貴且復(fù)雜的設(shè)備。Schüttpelz說：“獲得超分辨率圖像并不是一件簡單直接的事情。雖然在市場上有一些相當(dāng)昂貴的納米顯微鏡，但是要想獲得高質(zhì)量的納米級分辨率圖像還得需要經(jīng)過訓(xùn)練的且經(jīng)驗豐富的操作人員?！?

為了解決上述問題，Schüttpelz及其同事完全改變了當(dāng)前的顯微技術(shù)。他們不再是將樣品放在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的顯微鏡的載玻片上，而是將簡單的顯微鏡與復(fù)雜且高產(chǎn)量的光芯片相結(jié)合來成像，其中光芯片用以放置和照射樣品。

挪威北極大學(xué)的物理學(xué)家BalpreetAhluwalia解釋道：“我們的光芯片技術(shù)可以改裝任何標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡，從而使其分辨率達(dá)到納米量級。”

刻蝕凹槽

光芯片實質(zhì)上是一個波導(dǎo)，有了光芯片，顯微鏡不再需要安裝能激發(fā)熒光分子的光源。它由五個25~500微米寬的刻蝕凹槽構(gòu)成，這些凹槽被刻蝕在能使光發(fā)生全反射的復(fù)合材料上。

光芯片是由兩臺通過透鏡或透鏡光纖耦合到其上的固體激光器所照射。兩種不同波長的光被很好地限制在凹槽內(nèi)，從而照射置于芯片上的樣品。顯微鏡上的透鏡和照相機(jī)記錄下了熒光信號，并利用所獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建出樣品的高分辨率圖像。

研究者使用肝臟細(xì)胞的成像來檢測光芯片的效果。他們證實：不足30秒，便可獲得視野范圍為0.5 × 0.5 平方毫米且分辨率約為340納米的圖像。目前為止，這是一種快到足以獲取細(xì)胞中生命動態(tài)的技術(shù)。若成像時間大于30分鐘，則在同樣大小的視野范圍，其分辨率可達(dá)到140納米。使用該芯片同樣可以獲得分辨率小于50納米的圖像，但是需要更高放大率的透鏡，而且必須將視野范圍限制在150微米左右。

大量細(xì)胞

Ahluwalia在《物理世界》上說：“在納米顯微學(xué)中使用光芯片的優(yōu)勢在于它能夠分離入射的光并能探測入射光的傳播路徑，且借助波導(dǎo)可以照亮更大的視野范圍?！彼€補(bǔ)充說：“利用這項技術(shù)，我們的團(tuán)隊可以獲得比其他顯微技術(shù)大100倍的超分辨圖像?！边@項技術(shù)使得將50個活細(xì)胞呈現(xiàn)在一張圖像上成為可能。

據(jù)Schüttpelz所說:“該技術(shù)是納米光學(xué)顯微鏡發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。不僅高度專業(yè)化的實驗室能獲得超分辨率的圖像，而且全球的許多科學(xué)家都能改裝標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡以使用波導(dǎo)芯片，從而使標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡成為超分辨率的顯微鏡。在不遠(yuǎn)的將來，任何人都可以以較低的成本使用納米顯微鏡?！?