基于石墨烯偏振特性的亚波长分辨率细胞无标记成像技术

With the advantages of label-free, ultrahigh sensitivity and long penetration depth, cell refractive index sensing techniques based on the polarization-sensitive absorption of graphene have realized important applications in the fields of cell pathology and cancer diagnosis. Currently, the inadequate spatial resolution of this technique fails to meet the requirements for subcellular-level observation. Therefore, we devote our attentions in this project to developing a novel cell refractive index microscopic technique with subwavelength imaging spatial resolution. Label-free imaging of subtle structures in living cells are expected with the combination of the polarization property of graphene and the tightly focused optical system. The research includes: (1) establishing the vector diffraction theoretical model for hybrid polarized beams; (2) creating a common-path focusing and differential detection cell microscopic system with subwavelength spatial resolution; (3) completing the refractive index imaging of human colonic epithelial cells, as well as the dynamic observation of subcellular structures and activities. The project aims to build up a label-free cell microscopic platform with ultrahigh resolution and sensitivity, and provides an effective analytical tool for biomedical researches.

基于石墨烯偏振敏感吸收特性的细胞折射率传感技术具有无标记、超高探测灵敏度、较大纵向探测深度等优点，在细胞病理学研究、癌症诊断等领域具有重要的应用价值。针对该技术目前空间分辨率较低、无法满足亚细胞水平观测的现状，本项目致力于开发并完善一项新型的亚波长分辨率细胞折射率显微成像技术，将石墨烯的偏振特性与光学紧聚焦系统结合，实现对活体细胞内部精细结构的无标记高分辨率成像。研究内容包括：（1）建立混合偏振光束的聚焦矢量衍射理论模型；（2）设计并搭建具有亚波长尺寸空间分辨率的共光路聚焦与差分探测细胞成像系统；（3）开展对人体结肠表皮细胞的折射率成像实验，动态观测亚细胞精细结构及其生理活动。研究工作的目标是建立一套高分辨率、高灵敏度的细胞显微平台，为生物医学研究提供有效可靠的无标记成像与分析手段。

基于石墨烯偏振敏感吸收特性的细胞折射率传感技术具有无标记、超高探测灵敏度、较大纵向探测深度等优点，在细胞病理学研究、癌症诊断等领域具有重要的应用价值。针对该技术目前空间分辨率较低、无法满足亚细胞水平观测的现状，本项目致力于开发并完善一项新型的亚波长分辨率细胞折射率显微成像技术，将石墨烯的偏振特性与光学紧聚焦系统结合，实现对活体细胞内部精细结构的无标记高分辨率成像。研究内容包括：（1）建立复杂偏振光束的聚焦矢量衍射理论模型；（2）设计并搭建具有亚波长尺寸空间分辨率的共光路聚焦与差分探测细胞成像系统；（3）开展对人体结肠表皮细胞的折射率成像实验，动态观测亚细胞结构及其生理活动。经过三年研究周期，取得的成果包括：（1）建立了可用于任意偏振光束的紧聚焦光场分布计算的广义矢量衍射理论模型；（2）阐述了利用石墨烯偏振敏感吸收特性用于折射率传感及显微成像的理论基础；（3）建立起基于石墨烯偏振敏感特性的共聚焦折射率显微镜系统，实验空间分辨率和折射率分辨率分别达到727 nm和2.86×10-6 RIU，并最终实现了对于上皮细胞和间充质细胞的无标记成像与分选。本项目研究工作实现了建立起一套高分辨率、高灵敏度的细胞显微仪器平台的研究目标，并能够为生物医学研究提供一种全新的有效可靠的无标记成像与分析手段。