荷蘭納米光刻高級(jí)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(guò)超薄光纖進(jìn)行快速、超高分辨率的顯微鏡探測(cè)。使用智能信號(hào)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(duì)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(gè)納米成像和計(jì)量學(xué)研究小組，從事超細(xì)纖維內(nèi)窺鏡檢查工作。

她說(shuō)：“納米級(jí)成像受到所用光的波長(zhǎng)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(lái)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(gè)有意義的圖像并不需要數(shù)據(jù)樣本中的所有信息。她說(shuō)：“想想數(shù)碼攝影，它使用JPEG壓縮格式來(lái)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(cè)量中，我們通過(guò)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(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方法重建整個(gè)圖像?！?/span>

有斑點(diǎn)的光束

在傳統(tǒng)的顯微鏡檢查中，通常會(huì)逐點(diǎn)照射樣品以產(chǎn)生整個(gè)樣品的圖像。這需要大量時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算從中提取相關(guān)信息。她說(shuō)： “在逐點(diǎn)照明的情況下，獲取256個(gè)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(cè)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(wú)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(duì)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(shuō)：“光纖的緊湊性使其非常便于開發(fā)納米光刻的計(jì)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(lái)更高的分辨率和速度。計(jì)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。”

如圖所示超分辨率光纖成像示意圖。來(lái)自光纖的隨機(jī)斑點(diǎn)光束（綠色）多次照射整個(gè)樣品（右側(cè)）。壓縮感測(cè)重建無(wú)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(jí)探測(cè)應(yīng)用。