Light文獻(xiàn)分享——無旁瓣超分辨成像：軸向分辨率突破至26 納米

該研究由潘斌雄、王保菊、詹求強(qiáng)等學(xué)者共同完成，相關(guān)成果以“Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution”為題，于2025年發(fā)表在國際頂級(jí)光學(xué)期刊《Light:Science&Applications》上。

重要發(fā)現(xiàn)
01非線性激發(fā)與光學(xué)干涉的協(xié)同突破
UNEx-4Pi技術(shù)的底層邏輯源于對(duì)“光學(xué)非線性效應(yīng)”的極致利用。傳統(tǒng)4Pi顯微術(shù)通過雙物鏡干涉壓縮軸向點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），但固有旁瓣強(qiáng)度可達(dá)主峰值的60%，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。而UNEx-4Pi引入鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒（如Yb³⁺/Pr³⁺共摻雜納米顆粒），其光子雪崩效應(yīng)可產(chǎn)生高達(dá)35階的光學(xué)非線性響應(yīng)。理論模擬顯示，當(dāng)非線性階數(shù)N>10時(shí)，4Pi干涉場(chǎng)的旁瓣強(qiáng)度可被抑制至主峰值的0.1%以下，且軸向分辨率公式從傳統(tǒng)的dz≈λ/3n優(yōu)化為dz≈λ/3n√N，即非線性階數(shù)越高，分辨率提升越顯著。實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)采用852nm連續(xù)激光激發(fā)18nm的PA納米顆粒，通過鏡面輔助的單物鏡雙焦自干涉策略，成功獲得了軸向26nm、橫向53nm的超分辨率聚焦斑，且在觀測(cè)范圍內(nèi)完全消除了旁瓣。這一結(jié)果打破了傳統(tǒng)認(rèn)知——無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)反卷積算法，僅通過物理機(jī)制即可實(shí)現(xiàn)“旁瓣清零”。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01旁瓣消除的物理革命
首次在真實(shí)空間中通過純物理手段（而非算法）根除4Pi顯微術(shù)的旁瓣難題。傳統(tǒng)技術(shù)中，即使結(jié)合雙光子激發(fā)（2PE），旁瓣高度仍達(dá)5%，而UNEx-4Pi利用35階非線性效應(yīng)，將旁瓣壓制至“零觀測(cè)”水平，從根本上解決了成像對(duì)比度與光漂白問題。

總結(jié)與展望
UNEx-4Pi以“非線性光學(xué)+矢量場(chǎng)調(diào)制”的創(chuàng)新思路，重新定義了超分辨率成像的技術(shù)邊界。從科學(xué)價(jià)值看，它首次證明了通過光學(xué)非線性效應(yīng)可在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)物理空間的無旁瓣聚焦，為研究光與物質(zhì)的納米級(jí)相互作用提供了“精準(zhǔn)探針”；從應(yīng)用層面，其單光束、低光毒性的特性，使其在活細(xì)胞動(dòng)態(tài)追蹤、單分子定位等領(lǐng)域極具潛力——例如，文中展示的核膜32nm軸向分辨率，已能滿足染色質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的需求。未來，UNEx-4Pi的發(fā)展將聚焦兩大方向，一是集成自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，克服樣本厚度帶來的像差，將成像深度從當(dāng)前的12μm擴(kuò)展至100μm以上，以適應(yīng)組織級(jí)三維成像；二是開發(fā)更快響應(yīng)的光子雪崩材料，將掃描速度提升至毫秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞器動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)記錄。此外，其超高非線性聚焦特性還可延伸至納米光刻、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域，例如基于λ/33的聚焦精度，有望實(shí)現(xiàn)亞50nm的3D光刻線條，為下一代芯片制造提供技術(shù)儲(chǔ)備。這項(xiàng)技術(shù)不僅是超分辨率成像的一次突破，更可能成為連接光學(xué)基礎(chǔ)研究與納米技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。

DOI:10.1038/s41377-025-01833-x.