中國科學(xué)院上海高等研究院王中陽課題組提出新型的基于熒光量子相干的超分辨顯微成像方法，研究成果以Breaking the diffraction limit using fluorescence quantum coherence為題，近日發(fā)表在 《光學(xué)快報(bào)》(Optics Express)上。
在經(jīng)典光學(xué)成像中，顯微鏡的空間分辨率受阿貝衍射極限限制為?λ/2NA，其中λ為光波長，NA為顯微物鏡的數(shù)值孔徑。近二十年來，各種超分辨熒光顯微成像技術(shù)的出現(xiàn)打破了光學(xué)衍射極限，將空間分辨率提高到納米尺度，主流技術(shù)包括隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)超分辨成像技術(shù)(STORM)、結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)(SIM)和受激輻射損耗技術(shù)(STED)。其中STED和STORM通過不斷提升測量精度極限來提高分辨率，如STED利用非線性受激輻射損耗機(jī)制來壓制衍射受限的埃里斑尺寸再通過點(diǎn)掃描獲得超分辨成像，而STORM通過統(tǒng)計(jì)熒光分子中心位置的定位精度來超衍射極限分辨，其分辨率由測量精度即統(tǒng)計(jì)分辨率極限? ?N?1/2決定，?N?為探測到平均光子數(shù)。
在量子光學(xué)中，現(xiàn)有研究表明利用光的量子性質(zhì)能夠突破經(jīng)典的空間分辨率限制，從而進(jìn)一步提升分辨率。例如，利用N個(gè)糾纏光源的光子干涉能夠?qū)⒎直媛侍嵘胶ＩO限?1 / N。而在熒光顯微鏡中，同樣可以利用熒光光源的量子特性來實(shí)現(xiàn)分辨率的提升。單個(gè)熒光分子或原子的發(fā)射具有單光子輻射源的性質(zhì)，在一次脈沖激發(fā)下僅發(fā)出單個(gè)光子，因此光子發(fā)射統(tǒng)計(jì)概率不同于熱輻射光源的一簇一簇的光子輻射，而是一個(gè)接一個(gè)發(fā)出，體現(xiàn)了明顯的反聚束統(tǒng)計(jì)特性，并且理想的單光子源發(fā)出的光子在光譜、偏振上完全相同，即具有高的光子不可區(qū)分特性。上述熒光的量子性質(zhì)已被實(shí)驗(yàn)證明存在于熒光顯微成像常用的熒光染料中，例如單個(gè)有機(jī)染料分子、單個(gè)量子點(diǎn)以及單個(gè)金剛石色心，為發(fā)展新型的超分辨熒光顯微成像技術(shù)帶來了新的量子信息維度。
基于此，王中陽課題組提出了基于熒光光源的量子性質(zhì)的超分辨成像方法，并對成像機(jī)制展開研究。研究者從熒光光源的發(fā)光機(jī)制出發(fā)，考慮了大多數(shù)熒光染料所包含的退相和光譜擴(kuò)散機(jī)制，構(gòu)建了通用的單光子波函數(shù)并考慮其在顯微系統(tǒng)中的時(shí)間和空間維成像變換;通過計(jì)算雙光子干涉的時(shí)間和空間的探測概率分布，從而獲得熒光量子相干統(tǒng)計(jì)模型。該模型為宏觀部分相干理論與熒光微觀輻射機(jī)制提供了橋梁。基于此模型，研究者還提出了一種基于熒光量子相干性的超分辨熒光顯微成像方法。利用新型的單光子雪崩探測器(SPAD)陣列統(tǒng)計(jì)熒光光子的時(shí)間和空間漲落p(r, t)。為了提取熒光光子相干性，通過引入時(shí)間門Tg作為光子到達(dá)時(shí)間的后選擇窗口來提取高度相干的光子并沿Tg積分構(gòu)造時(shí)間相干調(diào)制函數(shù)p(r, Tg)，如圖1所示。
時(shí)間相干調(diào)制函數(shù)與熒光光源空間分離量s有關(guān)。因此，通過準(zhǔn)確測量時(shí)間相干調(diào)制函數(shù)，并預(yù)先確定其它變量，可從中準(zhǔn)確提取出衍射極限內(nèi)熒光光源空間分離距離s。此時(shí)，分辨率(即光源分離距離s)取決于熒光時(shí)空相干性的測量精度，而相干性測量精度又與探測到的光子數(shù)和空間采樣率有關(guān)，如圖2所示，仿真結(jié)果表明，當(dāng)探測到的光子數(shù)達(dá)到104時(shí)，分辨率可以達(dá)到50 nm。該新型量子增強(qiáng)成像技術(shù)能夠發(fā)掘熒光量子時(shí)空漲落特性及量子相干性，有助于實(shí)現(xiàn)熒光弱信號下的快速超分辨成像。
圖1.基于熒光量子相干的超分辨熒光顯微成像方法示意圖。(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖;(b)傳統(tǒng)成像方式和SPAD陣列探測方案對比圖;(c)成像過程時(shí)序圖;(d)熒光光子時(shí)空相干性概率分布;(e)引入時(shí)間門調(diào)制后熒光光子時(shí)空相干性概率分布。
圖2.不同累計(jì)光子數(shù)下p(0, Tg)的測量精度(熒光光源距離s分別為50和100 nm)
