看到感興趣的照片，我們會情不自禁點開放大。但這種放大不是無限的，Z終我們的好奇心會終止在一個模糊的像素點，無法更清晰。是光的內(nèi)稟屬性造成了這一限制。突破光學(xué)衍射J限是科學(xué)界很有名的挑戰(zhàn)之一，至今仍沒有很好的方案。浙江大學(xué)物理學(xué)院張德龍研究員課題組另辟蹊徑，提出“從頻域提取空間特征”的思路，發(fā)明了一種無標(biāo)記的超分辨率方法——光熱弛豫定位（PEARL）顯微鏡。PEARL顯微鏡直接從光熱顯微鏡的探測光束的位置依賴性調(diào)制中提取亞衍射J限特征，它不依賴于熒光標(biāo)記，分辨率可達到120納米左右。

相關(guān)研究成果以“Super-Resolution Imaging of Non-fluorescent Molecules by Photothermal Relaxation Localization Microscopy” 為題1月23日在線發(fā)表于Nature Photonics。論文**作者為浙江大學(xué)物理學(xué)院博士生傅鵬程，通訊作者是浙江大學(xué)物理學(xué)院張德龍研究員。

尋找光斑里的細(xì)節(jié)

張德龍的實驗室，無菌細(xì)胞房緊挨著光學(xué)儀器平臺。他希望有一天生命體的精細(xì)結(jié)構(gòu)能被更清晰、更便捷地觀察，這一領(lǐng)域存在一項很有名的挑戰(zhàn)：突破衍射J限。

衍射J限是由光的“本性”決定的。光是一種電磁波，由于存在衍射現(xiàn)象，一個被觀測的點經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后得到的是一個衍射像，每個物點就像一個彌散的斑。當(dāng)兩個點靠得很近時，彌散斑就像“粘”一起，是一團模糊的圖像。1873年，德國科學(xué)家阿貝提出了“衍射J限”理論：分辨率的J限近似于入射光波長的二分之一(d=λ/2)。該理論認(rèn)為，我們觀察物體時的分辨率J限，取決于我們用什么波長的光去觀察。這類似于我們畫畫，使用什么樣的筆決定了筆觸的精細(xì)程度，是奔放的潑墨山水，還是細(xì)致的花鳥工筆。

圖1. 艾里斑與瑞利判據(jù)。

（圖片來源：https://www.opticsjournal.net/M/Articles/OJbf8d38a472e80dcb/FullText）

可見光的波長通常在380~780納米之間，根據(jù)衍射J限公式可以得出，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率J限在200納米（0.2微米）左右。這個分辨率在觀察更小的細(xì)胞結(jié)構(gòu)時（例如脂質(zhì)或蛋白質(zhì)微滴）就顯得捉襟見肘了。也許你會說，可以用更短波長的光來提高成像分辨率，但是短波長的光具有的更高的光子能量，這會對細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷。

在科學(xué)家眼中，J限就是用來突破的。多年來，突破衍射J限已經(jīng)成為科學(xué)界一項公認(rèn)的挑戰(zhàn)，眾多科學(xué)家提出了超分辨的思路與方法并應(yīng)用于實際。Z具有代表性的是2014年獲得諾貝爾化學(xué)獎的超分辨熒光顯微技術(shù)。借助熒光分子的幫助，科學(xué)家將光學(xué)顯微成像技術(shù)的J限拓展到了納米尺度。

“2014年諾獎為代表的超分辨顯微成像技術(shù)嚴(yán)重依賴于熒光標(biāo)記，實際我們看到的是熒光標(biāo)記，而不是觀測對象本身?！睆埖慢埥榻B，近年來，擺脫熒光依賴，利用“無標(biāo)記”實現(xiàn)超分辨成像的科學(xué)探索開始成為研究熱點，有望能為下一代顯微鏡提供新的技術(shù)方案。在這篇研究論文中，浙大團隊提出了他們的全新方案：基于光熱弛豫定位顯微鏡（Photothermal Relaxation Localization Microscopy, PEARL）的非熒光分子超分辨成像系統(tǒng)。

來自海市蜃樓的啟發(fā)

我們可以把海市蜃樓現(xiàn)象作為了解PEARL的入口。海市蜃樓是光線在在密度不同的氣層中穿行時發(fā)生折射的結(jié)果，就像光穿過透鏡，讓原本直線傳播的光線發(fā)生了偏折。張德龍說，PEARL就是試圖在被觀測物中引入“透鏡”，讓成像系統(tǒng)通過捕捉電磁波的“偏折”信息，從而獲得精確的圖像。

分子在遇到特定波長的電磁波時，會吸收電磁波能量并加速分子振動。微波爐就是利用了這一原理對食物進行加熱的。當(dāng)電磁波消失后，加熱后的分子就進入能量耗散的放熱階段，這在物理學(xué)中被稱為光熱弛豫。對于科學(xué)家想觀察的生物細(xì)胞來說，雖然組成細(xì)胞的同一類分子吸收的能量是一樣的，但是他們的光熱升溫效果在空間上有所區(qū)別，總的來說是中心處升溫大，邊緣處升溫小。而當(dāng)電磁波消失，邊緣的熱量要比中心的熱量耗散得更快。

圖2. PEARL成像原理

“我們利用分子的熱弛豫現(xiàn)象，將分子吸收能量的特征和其空間位置信息聯(lián)系起來。通過捕捉不同熱弛豫過程的高頻差異，對特定的分子進行定位?！睆埖慢埥榻B。我們不妨想象夜空里星星“眨眼睛”的情景，星星忽明忽暗地閃爍，實際上是由于大氣密度分布不均勻造成光線的偏折造成的。“PEARL技術(shù)就好比通過‘眨眼’的快慢程度，來分辨出星星的細(xì)節(jié)?！?/span>

PEARL系統(tǒng)主要由泵浦光和探測光組成。泵浦光是波長可調(diào)諧的激光，用于激發(fā)特定的分子，它以脈沖的形式聚焦到目標(biāo)物體上，引發(fā)分子光熱弛豫；探測光則進行持續(xù)的掃描，通過分子的“熱弛豫”形成的“熱透鏡”序列擾動探測光的傳播，這種擾動的信號里蘊含著分子的位置和光譜信息。由于“熱透鏡”的存在，擾動的探測光產(chǎn)生了時間和空間上的變化。這一調(diào)制效應(yīng)帶來的突破是：在高次諧波頻率上，能夠探測到更精細(xì)的空間結(jié)構(gòu)，能夠突破探測光的衍射J限分辨率。

圖3. PEARL成像表征

為活細(xì)胞“寫生”

在研究中，浙大團隊展示了用PEARL來觀察酵母細(xì)胞中一類細(xì)胞器—脂滴。酵母是生物學(xué)上廣泛使用的模型生物。單個酵母細(xì)胞大小約2 - 4 微米，而其內(nèi)部的脂粒通常只有0.05—0.5微米左右，傳統(tǒng)的紅外成像方法無法對活細(xì)胞進行高分辨觀察。他們首次使用PEARL顯微鏡對酵母細(xì)胞進行亞細(xì)胞遠(yuǎn)場紅外振動光譜成像。實驗不僅成功展示了細(xì)胞內(nèi)的脂滴的分布情況，還測定了它們的大小分布。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)了小尺寸的脂滴和一對蛋白滴（每個約170 納米）之間有細(xì)微的空間分離結(jié)構(gòu)?！拔覀冊诮湍傅腣-PEARL成像中觀察到的Z小特征是86 納米，這是**次用遠(yuǎn)場紅外成像分辨出100 納米以下的特征?！辈┦可爹i程介紹到。

圖4. PEARL哺乳動物細(xì)胞成像

圖5. PEARL酵母細(xì)胞成像

當(dāng)前，超越衍射J限的光學(xué)成像已經(jīng)形成巨大的突破。與廣泛采用的基于熒光的方法相比，無標(biāo)記成像避免了標(biāo)記的需要和相關(guān)的潛在細(xì)胞毒性問題。然而，現(xiàn)有的非熒光的超分辨成像方法往往依賴于飽和效應(yīng)或者非線性，其普遍適用性受到這些因素的限制。“我們開發(fā)的是一種無標(biāo)記的超分辨率方法，并突破了上述限制。”張德龍強調(diào)，該技術(shù)不需要特殊的吸收體，因為PEARL依賴于一般的吸收過程，包括電子和振動吸收?！拔覀兿嘈牛琍EARL可能為非熒光分子的超分辨率成像開辟了新的途徑，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域獲得令人興奮的廣泛應(yīng)用?！?/span>

此項工作得到了國家自然科學(xué)基金（12074339，32050410293，11934011），量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計劃（2021ZD0303200），浙江大學(xué)腦與腦機融合前沿科學(xué)中心資助項目，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01143-3

原文章鏈接：http://physics.zju.edu.cn/2023/0214/c39070a2715958/page.htm