面向无标记超高分辨率成像的波矢共振方法

《Advanced Photonics》：Toward label-free ultra-high-resolution imaging via wavevector resonance

　　

无标记空间频率偏移（SFS）超分辨成像能够实现纳米尺度的可视化，但在利用高波矢照明时，本质上存在超高分辨率与高信噪比（SNR）之间的严重权衡。为克服这一局限性，近期的研究引入了一种增强的深度空间频率偏移（EDSFS）机制，该机制通过对多层纳米结构进行工程化设计来实现波矢共振。这种方法选择性地重新分配并放大高空间频率成分，在保持强光强度的同时高效地产生高波矢照明。因此，EDSFS机制缓解了传统分辨率与信噪比之间的折衷，在可见光下实现了亚衍射无标记成像，并将相干传递函数显著延伸至10/λ以上，同时具有鲁棒的加工容差。最终，从简单的波矢扩展转向将工程化光子结构与自适应计算算法协同整合，为高通量、面向应用导向的纳米级检测开辟了道路。

无标记超分辨成像已成为材料科学、纳米光子和生物学研究中纳米尺度可视化的有力方法。通过引入额外的照明波矢，空间频率偏移（SFS）技术使传统光学显微镜能够获取物镜固有截止频率之外的空间频率信息，为在保持宽视野成像能力的同时突破衍射极限提供了一条有前景的途径。自郑志等人1引入傅里叶ptychographic显微镜以来，基于SFS的成像已迅速发展为一个多功能超分辨框架。与传统的逐点扫描方法不同，SFS方法利用照明调制来扩展可访问的频率谱，具有视场大、系统配置灵活以及同时恢复振幅和相位信息等优势。2,3 计算成像和合成孔径技术的最新进展进一步提高了成像速度和重建质量，加速了SFS显微镜向实际应用的转变。

为扩展可访问的空间频率范围，各种高波矢照明策略已被开发出来。这些方法通常可归为三大类以提升成像分辨率。第一类利用介电结构，包括高折射率波导和光子芯片，产生具有可控波矢的倏逝场。此类平台提供了紧凑且稳定的照明架构，并已被证明与结构化照明显微镜4–6及微型化照明器件7具有兼容性。第二类依赖于多层介电或混合光子结构，其中经过工程化设计的-optical界面提供了增强的近场激发并提高了纳米尺度成像的灵敏度。8–10 第三类采用等离激元材料和超材料，如金属薄膜和双曲型超材料，以支持具有极大横向波矢的表面等离激元极化激元，11–14 将空间频率覆盖范围推至自然波导极限之外。

然而，SFS超分辨成像长期面临一个严重的困境：当使用高-$k_x$表面波进行照明时，研究人员很难同时实现超高分辨率和高的信噪比。这一困境的根本原因在于高空间频率照明下固有的信噪比低劣的成像特性。分辨率与信噪比之间的这种固有折衷显著限制了无标记光学显微镜向更深亚波长尺度的进展。

在一项近期发表的研究中（如图1所示），由浙江大学杨青教授和刘旭教授领导的研究团队为实现解决这一长期困境的里程碑式突破。该研究团队提出了一种针对多层纳米结构中波矢共振调制的创新方案，即增强的深度空间频率偏移（EDSFS）机制。通过在金属-绝缘体-金属结构中对共振光学响应进行工程化设计，可以选择性地增强近场照明的空间频率分布。与依赖单一材料选择或单界面激发的传统方法不同，该方法建立了一种波矢空间设计范式，首先利用共振来重新分配和放大高空间频率成分。这种波矢共振方法能够在保持强光强度的同时高效产生高-$k_x$照明，从而缓解了传统分辨率与信噪比之间的折衷。实验结果表明，EDSFS机制能够在可见光波长照明下实现纳米尺度介电结构的无标记成像。该方法提供了深度亚衍射极限分辨率，将相干传递函数扩展至10?λ?1以上（>13 NA/λ），并提供了比传统超薄等离激元结构大得多的加工容差。

图1（a）高-$k_x$照明的波矢共振调制原理。（b）介电粒子的增强深度SFS超分辨成像。改编自参考文献15。

更广泛地说，SFS超分辨成像的发展代表了从简单地增加照明波矢转向通过结构和激发设计以及高级解调算法16,17、18 主动工程化空间频率信息的分布、效率和稳定性的第一次尝试。这一转变的动机在于原始波矢幅值的固有局限性，即在实用系统中倏逝衰减迅速且信噪比恶化。现在，设计的光子结构（如超表面和波导耦合器）被用于整形近场轮廓并增强耦合效率，而自适应解调算法则减轻了空间频率间隙和相位失真等伪影。建立在近期极端波矢操控19和基于超表面的成像20等进展之上，未来的进展预计将结合极端波矢工程、人工光学材料和计算重建算法21,22，以实现高通量、鲁棒且面向应用导向的纳米级成像系统。这种协同方法将实现无缝的频率带拼接和实时伪影校正。这些技术可能为生物大分子、半导体结构和其他需要高分辨率和实用成像性能的纳米尺度系统的无标记检测开辟新的机遇。