光学显微镜爆炸性突破：超越衍射极限10倍，分辨率可达30纳米！

　　

想象一下，你眼前有一个无比强大的光学镜头，透过它你能看见一只正在活细胞表面趴着的小病毒——

大胆一点，这不是想象，这种镜头已经快被制造出来了！

范德堡大学（Vanderbilt University）机械工程学Joshua Caldwell副教授团队12月11日在著名学术期刊《Nature Materials》发表文章，报道了这项不大不小的“奇迹”。

安东尼•列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）试验玻璃、宝石和钻石等各种透光材料，终于磨制出能将物质放大近300倍的透镜。从此之后，人类开启了极微小世界的观察之旅，点亮了浩若繁星的生命科学新发现。

在这篇文章中，研究人员改进了一种天然晶体光学材料，六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）。此前利用hBN分辨物体的最小分辨率大约比红外显微镜小36倍，差不多是小型细菌的尺寸（约0.5-1微米）。新文章报道，改进后晶体的潜在成像能力比之前最高水平大约提高了10倍！

典型的商用红外显微镜的设置（左）和 Cassegrain 反射物镜图解（右）以及红外显微镜的中心元件

“我们证明，透镜（hyperlenses）的固有成像效率限制可以通过同位素工程改造加以克服，”项目组成员、美国海军研究实验室的物理学家Alexander Giles说。“在纳米尺度操纵和聚焦光线，其困难程度绝对超乎想象，几乎不可能实现。但是，通过这项研究，我们发现同位素改造竟能提高材料和器件性能。”

多年来，科学家们开发出了许多仪器都具有纳米级分辨率成像能力，例如电子显微镜和原子力显微镜。但是，它们与活生物体并不相容，样品需暴露于有害辐射以及各种致命条件处理（如冷冻干燥等），而且需要在高真空条件下作业。

透镜技术与上述这些高分辨率显微术不同，只需要将样品暴露在低能光线（如红外光）覆盖得到的自然条件下，就能提供非常详细的活细胞图像。

长期以来，光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半，这被称为“阿贝分辨率”。如果实验中使用红外线，则“衍射极限”大概在3250纳米。此前，科学家们发现hBN能支持由光子和振动耦合光子组成的混合粒子“表面声子极化激元（surface phonon polaritons）”，因此晶体内的带电原子的实际波长比入射波长要短得多。但是，实验发现这样利用极化声子存在一个问题，它们消散速度太快。

在这项最新研究中，研究人员选用同位素分离的提纯硼制作hBN晶体。天然硼有两种同位素，二者质量相差约10%，虽然不易察觉，但细心比较后研究人员发现，混合了两种硼的晶体材料的光学特性显著下降。

通过计算，研究人员预测用纯硼制备的晶体透镜原则上能捕捉到30纳米尺寸的物体图像。一根头发直径约8万-10万纳米，人血红细胞约9千纳米，已知病毒约20至400纳米。如果计算正确，这意味着只需透过一块目镜，人类将能直接观察到小如病毒的物质活动！

为了证实推测，研究人员目前已经制备了一小片由纯同位素硼（纯度99%）打造的hBN晶体，相比天然晶体，该晶体的光学损失明显下降，意想不到的是极化声子寿命也提高了3倍，分辨率也得到显著改善。“我们现在用的是提纯hBN的小碎片，等我们做出更大的晶体后，相信结果还会更好，”Caldwell说。

距离列文虎克手工制造了第一台显微镜363年后的今天，科学家们成功将超透镜发展提高到了一个崭新水平。九泉之下的列文虎克若能知道这个消息，一定也会露出欣慰的笑容。

2014年的诺贝尔化学奖在10月8日宣布授予美国科学家埃里克•白兹格（Eric Betzig）、威廉姆•莫纳尔（William Moerner）和德国科学家施泰方•海尔（Stefan Hell），以表彰他们在超高分辨率荧光显微技术领域的贡献。这种以同位素提纯硼为原材料的下一代光学镜头，会不会也是诺贝尔奖水平的重大成果呢？

原文检索：
Ultralow-loss polaritons in isotopically pure boron nitride

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（生物通：伍松）