超透镜大升级,观察活细胞也不在话下!

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  利用光学透镜,原位观察活细胞表面的病毒特征,貌似只是想象中的事情。

  不过,现在由于制备超透镜的光学材料取得了新进展,该过程就有可能实现了。范德堡大学机械工程系的副教授 Joshua Caldwell 带领的研究团队,报道了这项新进展,并且研究成果于 12 月 11 日发布在《自然材料》(Nature Materials)期刊上。

  

  图 l Keith Wood,范德堡大学:新型超透镜晶体可分辨活细胞表面的病毒细节。左上角的插图给出了六方氮化硼的原子结构。

  多年以来,科学家已经开发了多种仪器,可以实现纳米尺度成像,比如电子显微镜和原子力显微镜。但是,这些仪器与活的生物体是不相容的。因为它们要么在高真空条件下操作,样品暴露在高辐射环境中,并要求致命性的样品制备过程(比如冷冻干燥);要么就是需要把样品从其原有的溶液基环境中移出来。

  简单而言,超透镜是一个分辨率超高的光学透镜。衍射限制是普通光学透镜的固有限制,而超透镜有望突破这一限制,捕获到目标物十分细微的细节。发展超透镜的最主要原因就是希望利用低能量的没有杀伤性的光波,实现活细胞的高分辨原位观察。

  另外,利用红外光成像,还可以提供目标物的光谱信息,也就是所谓的“材料指纹”。这些特点对生物及医学科学都有重要的作用,并且在通信及纳米尺度的光学部件等领域也有应用前景。

  超透镜常用的光学材料是六方氮化硼(hBN)晶体。先前,利用 hBN 晶体实现的最佳分辨率是观察比红外光波小 36 倍的目标物(大概是最小细菌的大小)。hBN 晶体有助于实现表面声子极化。

  过去,利用极化声子的问题在于它们会快速消散。Joshua 团队利用纯度为 99% 的硼元素制备了高纯的 hBN 晶体。测试结果表明,光损耗显著降低,极化声子的寿命提升了 3 倍,这使得它们的传播距离延长了 3 倍。因此,利用 hBN 晶体就可以突破固有的衍射极限。

  该进展最终体现在透镜成像分辨率的提高。研究人员表示理论上成像性能可以提升 10 倍。他们预测利用高纯 hBN 晶体制备的透镜,原则上可以捕捉尺寸为 30nm 的目标图像。另外,目前利用的是非常小的 hBN 薄片,将来利用尺寸更大的晶体有望获得更好的性能。

  众所周知,在纳米尺度调控光波是很困难的,并且效率低下。这项新的研究成果为下一代光学材料和仪器的开发提供了新路径。另外,基于显微镜的观察研究进入到一个全新的阶段,比如生物学家可以直接观察细胞进程,包括病毒侵染细胞或者免疫细胞攻击外来入侵者。

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