荷蘭納米光刻高級研究中心（Advanced Research Center for Nanolithography，縮寫：ARCNL）和阿姆斯特丹自由大學(xué)（Vrije Universiteit Amsterdam）的研究人員，開發(fā)出了一種緊湊的裝置，可通過超薄光纖進(jìn)行快速、超高分辨率的顯微鏡探測。使用智能信號處理，他們突破了分辨率和速度的理論極限。由于該方法不需要任何特殊的熒光標(biāo)記，因此對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用和納米光刻中三維3D結(jié)構(gòu)的表征都具有相當(dāng)前景。該研究結(jié)果發(fā)表在最近的《自然》雜志《光：科學(xué)與應(yīng)用》分刊上。

論文主導(dǎo)及第一作者、生物光子學(xué)和醫(yī)學(xué)成像學(xué)院教授Amitonova，成立了一個納米成像和計量學(xué)研究小組，從事超細(xì)纖維內(nèi)窺鏡檢查工作。

她說：“納米級成像受到所用光的波長的限制。有多種方法可以克服這一衍射極限，但它們通常需要大型顯微鏡和困難的加工程序?！边@些系統(tǒng)不適用于在生物組織的深層或其他難以到達(dá)的地方成像?！?/span>

為此，研究小組開發(fā)了一種方法來克服小型系統(tǒng)中的衍射極限，從而實(shí)現(xiàn)超分辨率的深組織成像

逆數(shù)據(jù)壓縮

該研究方法的關(guān)鍵在于，創(chuàng)建一個有意義的圖像并不需要數(shù)據(jù)樣本中的所有信息。她說：“想想數(shù)碼攝影，它使用JPEG壓縮格式來限制圖片中的數(shù)據(jù)量。壓縮可以刪除多達(dá)90％的圖像，但我們幾乎看不到它們之間的區(qū)別。” “這是可行的，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中的所有常規(guī)圖像都是稀疏的，這意味著大多數(shù)圖像點(diǎn)都不包含任何信息。在我們的測量中，我們通過僅獲取百分之十的信息以相反的方式使用這種稀疏信息的可用數(shù)據(jù)，并通過數(shù)學(xué)計算方法重建整個圖像?！?/span>

有斑點(diǎn)的光束

在傳統(tǒng)的顯微鏡檢查中，通常會逐點(diǎn)照射樣品以產(chǎn)生整個樣品的圖像。這需要大量時間，因?yàn)楦叻直媛蕡D像需要許多數(shù)據(jù)點(diǎn)。 Amitonova開發(fā)的方法使用一種能產(chǎn)生斑點(diǎn)激光束的光纖，該激光束可以以隨機(jī)方式同時照射樣品中的許多區(qū)域。然后將樣本反射的多面光收集為單個數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過計算從中提取相關(guān)信息。她說： “在逐點(diǎn)照明的情況下，獲取256個數(shù)據(jù)點(diǎn)將得到256像素的圖像。使用我們的方法，相同數(shù)量的測量可以生成大約20倍像素的圖像，”“因此，壓縮成像要快得多，但是我們也證明了它能夠分辨比傳統(tǒng)衍射極限成像所能分辨的小兩倍以上的細(xì)節(jié)?！?/span>

無標(biāo)簽感應(yīng)

該方法的開發(fā)考慮了微創(chuàng)生物成像。但這對于納米光刻技術(shù)中的傳感應(yīng)用也非常具有前途，因?yàn)樗恍枰獰晒鈽?biāo)記，而熒光標(biāo)記是其他超分辨率成像方法所必需的。 她說：“光纖的緊湊性使其非常便于開發(fā)納米光刻的計量工具?；诠饫w的探頭可提供高分辨率和大視野的獨(dú)特組合，可輕松用于難以發(fā)展的地方。進(jìn)一步開發(fā)這種方法將有望帶來更高的分辨率和速度。計量工具和醫(yī)學(xué)診斷是最有可能從該研究的發(fā)現(xiàn)中受益的領(lǐng)域?！?/span>

如圖所示超分辨率光纖成像示意圖。來自光纖的隨機(jī)斑點(diǎn)光束（綠色）多次照射整個樣品（右側(cè)）。壓縮感測重建無需熒光標(biāo)記即可提供樣品的高分辨率圖像，從而在生物成像和納米平版印刷中提供納米級探測應(yīng)用。