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        上海高研院在量子增強的超分辨顯微成像機制研究中取得進展

          中國科學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,近日發表在 《光學快報》(Optics Express上。 

          在經典光學成像中,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為顯微物鏡的數值孔徑。近二十年來,各種超分辨熒光顯微成像技術的出現打破了光學衍射極限,將空間分辨率提高到納米尺度,主流技術包括隨機光學重構超分辨成像技術(STORM)、結構光照明顯微技術(SIM)和受激輻射損耗技術(STED)。其中STEDSTORM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制來壓制衍射受限的埃里斑尺寸再通過點掃描獲得超分辨成像,而STORM通過統計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計分辨率極限? ?N?1/2決定,?N?為探測到平均光子數。 

          在量子光學中,現有研究表明利用光的量子性質能夠突破經典的空間分辨率限制,從而進一步提升分辨率。例如,利用N個糾纏光源的光子干涉能夠將分辨率提升到海森堡極限?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現分辨率的提升。單個熒光分子或原子的發射具有單光子輻射源的性質,在一次脈沖激發下僅發出單個光子,因此光子發射統計概率不同于熱輻射光源的一簇一簇的光子輻射,而是一個接一個發出,體現了明顯的反聚束統計特性,并且理想的單光子源發出的光子在光譜、偏振上完全相同,即具有高的光子不可區分特性。上述熒光的量子性質已被實驗證明存在于熒光顯微成像常用的熒光染料中,例如單個有機染料分子、單個量子點以及單個金剛石色心,為發展新型的超分辨熒光顯微成像技術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的超分辨成像方法,并對成像機制展開研究。研究者從熒光光源的發光機制出發,考慮了大多數熒光染料所包含的退相和光譜擴散機制,構建了通用的單光子波函數并考慮其在顯微系統中的時間和空間維成像變換;通過計算雙光子干涉的時間和空間的探測概率分布,從而獲得熒光量子相干統計模型。該模型為宏觀部分相干理論與熒光微觀輻射機制提供了橋梁。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)陣列統計熒光光子的時間和空間漲落p(r, t)。為了提取熒光光子相干性,通過引入時間門Tg作為光子到達時間的后選擇窗口來提取高度相干的光子并沿Tg積分構造時間相干調制函數p(r, Tg),如圖1所示。 

          時間相干調制函數與熒光光源空間分離量s有關。因此,通過準確測量時間相干調制函數,并預先確定其它變量,可從中準確提取出衍射極限內熒光光源空間分離距離s。此時,分辨率(即光源分離距離s)取決于熒光時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和空間采樣率有關,如圖2所示,仿真結果表明,當探測到的光子數達到104時,分辨率可以達到50 nm。該新型量子增強成像技術能夠發掘熒光量子時空漲落特性及量子相干性,有助于實現熒光弱信號下的快速超分辨成像。

          論文鏈接 

          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)實驗裝置圖;(b)傳統成像方式和SPAD陣列探測方案對比圖;(c)成像過程時序圖;(d)熒光光子時空相干性概率分布;(e)引入時間門調制后熒光光子時空相干性概率分布。 

        2.不同累計光子數下p(0, Tg)的測量精度(熒光光源距離s分別為50100 nm


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