华盛顿时间2022 年 4 月 29 日 — 格拉茨大学的研究人员开发的一种无标记显微技术可以实现纳米结构的无创、亚衍射极限成像。

该技术将傅里叶平面偏振法和多极检索与激光扫描显微镜相结合，以重建亚衍射极限纳米粒子集合。它建立在激光扫描显微镜的能力之上，其中光束扫描样品并测量传回的光。

除了测量与样品相互作用的光的亮度外，新引入的技术还测量光场中编码的参数。

除了亮度之外，光的相位、偏振和散射角还提供有关样品的信息。为了捕捉存储在这些特征中的信息，研究人员检查了光强度和偏振的空间分辨率。

“光的相位和偏振，连同它的强度，在空间上变化的方式结合了与之相互作用的样品的细节——就像物体的阴影告诉我们物体本身的形状一样，”领导这项研究的彼得班泽教授说。“然而，如果在交互后只测量整体光功率，那么大部分信息都会被忽略。”

研究人员使用他们的方法研究了含有不同尺寸金纳米粒子的基本样品。在扫描样品上的感兴趣区域后，他们记录了透射光的偏振和角度分辨图像，并使用自定义算法评估了测量数据。该算法构建了一个精确反映测量数据的纳米粒子集合模型。它还为研究人员提供了有关粒子数量及其位置和大小的信息。

该团队通过将实验结果与基准扫描电子显微镜图像进行比较来验证实验结果。

“虽然粒子及其距离远小于许多显微镜的分辨率极限，但我们的方法能够解决它们，”班泽说。“此外，更重要的是，该算法能够提供有关样品的其他参数，例如颗粒的精确尺寸和位置。”

大多数可以解析超出衍射极限的图像的显微镜技术，例如超分辨率显微镜，都需要用荧光标记对样品进行修饰。不依赖于任何形式的样品修改的超分辨率技术提高分辨率的能力有限。

“我们的激光扫描显微镜新方法可以缩小分辨率有限的传统显微镜和需要修改研究中的标本的超分辨率技术之间的差距，”班泽说。“与基于类似扫描方法的超分辨率技术相比，我们的方法是完全无创的，这意味着它不需要在成像之前将任何荧光分子注入样本中。”

现在，研究人员正在调整该方法，以便将其用于更复杂的样本。他们认为，可以通过调整与样品相互作用的光的结构并将基于人工智能的方法整合到图像处理步骤中来扩展该方法的功能。

除了强度之外，该团队还致力于开发一种能够解析偏振和相位信息的相机。这种下一代检测设备的开发是名为 SuperPixels 的欧洲项目的一部分。

测量纳米粒子的分布是科学中的一项常见任务，该技术可用于许多科学学科，以重建复杂的纳米结构和结构排列。“我们的方法可以帮助扩展用于研究各种样品中纳米结构的显微镜工具箱，”班泽说。“我们的研究再次证明了光结构在光学和基于光的技术领域可以发挥的关键作用。”