引发光学显微镜革命的新秘诀
Opto-Electronic Advances 创刊第1期 封面文章】

解决300年前的光学难题
        光学成像历史悠久、积淀丰厚。早在17世纪,光学显微镜的发明使人类实现了观测微观世界的愿望。光学显微镜的贡献也推动了生物医学、化学、材料科学、电子学等应用领域的新发展。从那时起,光学成像技术见证了科学社会的种种进步。然而,随着几个世纪的不断研究,光学成像遭遇到由照明波长本身带来的光学衍射极限等技术瓶颈。为了攻克这一难题,人们采用了不同的方法,例如:用电子束或近场光学探针作为描绘工具,绘制微小样品的表面纹理;通过激活荧光对生物样品进行特殊处理,并将成像特征精细到几十纳米等。其中荧光成像法在显微成像方面获得巨大突破,并因此获得2014年的诺贝尔化学奖。但是,这些方法不可避免地会对样品会造成损伤。
        为了解决这些问题,新加坡国立大学的洪明辉教授团队提出了一种新型显微镜光学设计方法,为突破光学成像的理论局限提供了一种有效的解决方案。最新研究成果发表在英文学术期刊《光电进展》(Opto-Electronic Advances)上。该团队利用了纳米尺度粒子透镜的聚焦效应,通过纯光学手段使样本特征尺寸可视化,并且对样本没有任何影响;同时,该成像系统设计简单、经济高效。从家庭日常使用、学校教育、工业品检测和医院早期诊断,到实验室的前沿研究,这种经济实惠的光学纳米显微镜都将派上用场。它是一种具有检测纳米尺度特征能力的通用性工具。这一突破性进展将带来巨大的影响,使人们能够在自然条件下实现从微米世界到纳米世界的快速观测。

实现了几乎不可能实现的目标
        在激光照明光刻技术中透明微球的聚焦和光的可逆特性思想的启发下,洪教授的团队提出了微球放大设计的想法。理论上,微球和样本结构之间的相互作用使电磁波传播中携带的信息变得更加丰富,随即由光学检测器捕获。这种巧妙而实用的设计只需要对传统白光显微镜进行微小的改动,就可以获得超分辨率观测结果。这种经济高效且通用的方法可以将普通显微镜的分辨率最高提高10倍。基于这种技术增强的成像能力也可以将革命性的改变带到许多与显微镜相关的其他领域。这种新设计使整个系统操作简单、不需要对用户进行任何额外的培训,与学校、医院、医学实验室和微细加工工厂中的常规设备一样便于使用。由于材料和设计策略经过精心选择,所以不会增加现有设备的成本。相反,这种提供纳米级分辨率的设备成本可以降低至少50 %,这样可以使更多学生、医生和工程师能够负担得起纳米观测的费用。


(a) Schematics of the setupfor the remote microsphere system; (b) Mechanism to illustrate the enlarged virtual image by the microsphere system; (c) Optical image captured in this system (Sample: Blue-ray disc; scale bar: 2 µm);
 Inset: SEM image of the nano-grooves (scale bar: 150 nm)

成就和世界声誉
        毋庸置疑,这种光学微球纳米显微镜在先进的生命科学、生物医学研究实验室中将会有广泛的应用。大多数病毒的尺度是几十纳米,目前的观测方法需要复杂的制备过程去修饰生物分子,然后才能揭示其细节。而利用这种纳米显微镜可以对水环境中的病毒、细菌或其它细胞进行拍照或视频观测。因此,该设计在世界范围内得到了广泛的认可。获得新加坡工程师学会颁发的“著名工程成就奖”。该设计还代表新加坡荣获东南亚国家联盟“杰出工程成就奖”。此外,由于该成像方案设计简单,现有光学显微镜可以被轻松升级并保留其所有优势。也由于这种创新设计轻便、易操作,可以安装在所有的小学甚至幼儿园,使学生在启蒙教育的时候就可以看到纳米世界,启发更多的创造性思维。由于其广泛的应用前景和影响力,洪教授的团队正在推进这种新型光学微球纳米镜的技术转化和商业化。
        洪教授在谈到这一新技术时表示:“科学是增加人类幸福的根本力量。我的梦想是发明有价值的光学技术,并使它造福每一个人。让我们期待更多的光学科技走进人们的生活!”
 
相关论文
Chen L W, Zhou Y, Wu M X, Hong M H. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for opticalmicroscopes. Opto- Electronic Advances 1, 170001 (2018).
DOI:10.29026/oea.2018.170001