基于移频机制的宽场非标记超分辨成像新方法研究

Label-free super resolution in visible-band is of significant importance to the development of biological cytology, materials science and micro-electronics etc. One of the biggest challenges in optical microscopy is is how to realize wide-field wide-band super-resolution. In this project, based on the frequency-shift effect, a novel super resolution method has been proposed. By shifting the high spatial frequency of the sample with different amount, corresponding imaging message will be gotten. Then with iterative reconstruction, we can realize a label-free wide-field and far-field super-resolution imaging. We will study the modulation on nano illumination beam and construct a super resolution chip for nanoscopy, which can be easily integrated with conventional microscope. Combing with optimization algorithm, we will suppress the background noise and improve the signal-to-noise ratio. We will also carry out the research on phase imaging technology, which will realize the longitudinal super-resolution and three dimensional super-resolution. This project will provide a new way for the existing optical super-resolution imaging technologies.

可见光波段亚波长非荧光样品纳米成像技术对于生物细胞学、材料科学和微电子等领域的发展具有重要意义。如何对非标记样品实现大视场宽频段的超分辨成像是光学显微技术未来需要解决的关键难点问题之一。本项目基于前期移频效应的研究，提出了一种新型超分辨显微成像方法，通过对微纳样品高分辨信息对应的空间频率大范围频移，从显微物镜获取不同频移量下的成像信息，在傅里叶频谱域迭代拼接，重构超分辨图像，实现对微纳样品非标记、宽场、远场的超分辨成像。项目将通过对微纳光源的光束综合调控研究，构建超分辨芯片，方便与普通显微成像系统集成，结合优化处理算法，获取高信噪比成像效果，实现对微纳样品的超分辨成像。发展移频成像的相位高分辨成像方法，实现对微纳样品纵向高分辨信息的获取，结合宽场大范围移频成像探索三维超分辨成像的新方法。本项目的实施将为现有光学超分辨技术三维成像提供一种全新的思路。

突破远场衍射极限的光学超分辨显微技术是人类探索微观世界不可或缺的重要研究手段，也是提升国家智能制造能力的关键技术之一。但荧光超分辨显微技术主要利用特殊荧光分子标记样本以突破衍射极限，缺乏成像普适性，在生命科学与纳米材料技术等领域的应用中存在限制。对于无法用荧光标记的样品，实现宽场非标记超分辨显微还是世界难题。为了突破我国超高分辨光学显微成像的瓶颈，团队在本国家自然科学基金重点项目的支持下，近五年围绕着基于移频机理的宽场标记/非标记兼容超分辨展开深入研究，提出可调移频成像机理、发展全矢量调频新技术和超高精度光学工艺技术，在超分辨显微新机理和关键技术上取得重大突破。项目执行期间，创新性提出兼容宽场标记/非标记的可调深移频机理；发展了全矢量调频新技术和超高精度光学工艺技术,实现优于十分之一波长的超分辨成像与活体亚细胞器的动态超分辨成像。团队基于可调深移频机理设计并研制新型的薄膜型、高折射率波导型及晶圆型系列移频超分辨载玻片，实现对刻蚀结构、荧光微球、生物细胞、纳米碳管等微纳样品及结构的无标记/标记兼容的快速简易观测。通过高折射率波导中的干涉角度调节，结合纵向饱和层析效应来调节照明频率，团队论证λ/9的横向分辨率和~λ/200的纵向分辨率的片上三维超分辨显微成像。此外，团队设计并搭建了一套具有完全自主知识产权的基于复合振镜的并行纳米光场移频调控的荧光辐射微分多功能超分辨显微成像系统以及基于电光调制器的超高速宽场移频超分辨显微系统。团队与国内光学显微行业龙头企业：永新光学和舜宇光学联合推进超分辨光学显微技术成果的转化，实现了我国高端显微镜及部件的产业化和知识产权自主化。