纳米级光学显微镜

大弟开开 2016-06-24

展开全文

简介

研究人员在英国制造出了世界上最强大的光学显微镜，将有助于了解许多病毒和疾病的形成原因。“这是目前世界上唯一能在普通白光照明下直接观测纳米级物体的光学显微镜，是一个新的世界纪录。”研究人员王增波博士自豪地说。

纳米级光学显微镜图片解说：白光纳米显微镜试验结构，具有八分之一到14分之一波长的图像分辨率（远场光学分辨率为2分之一波长）。透射模式微米球超级透镜和传统的光学显微镜结合的原理图。微米球透镜用于收集近场目标的信息（近场光学信息，主要是高频形貌信息），形成能够被传统镜头捕获的虚像。
示意图比例为了说明问题夸张，（远场光学理论和近场光学理论都已经发展到相当高度，各自的显微镜也已经发展到相当高水平，远场光学显微镜，以扫描激光共聚焦显微镜为代表的，比较好用的显微镜，最好分辨率达到160nm，非常难用的油浸没和固体浸没物镜，最好分辨率大约为160nm左右；扫描近场光学显微镜目前的分辨率在20nm-70nm。而二者结合的发展，由于没有找到合适的近场光学信息收集材料，却在相当长时间内，分辨率提高进展很小。而采用普通的玻璃材质微米球超级透镜，自组装在样品表面后，收集到高分辨近场光学信息，首次实现普通远场光学显微镜，实现纳米级分辨率。）

通过把光学显微镜与透明的微球结合在一起——研究人员称之为纳米级光学显微镜，曼彻斯特大学的研究人员打破了光学显微镜的理论限制。

在这个新设备的帮助下，科学家可以更好地解释许多疾病引发传染和引起死亡的原因，从而打破了光学显微镜的理论限制。

这项工作由来自中国的教授李林(音译)和王增波(音译)博士率领该校的研究团队共同完成。显微镜能力的大大提高意味着科学家可以观察人体细胞的内部，而且首次做到可以观察活体病毒，进而查明引起病毒发生的原因。

此前，标准光学显微镜操作人员只能清晰地看到约1微米(1米的百万分之一)大小的物体。而现在，研究人员可以在正常光线下看到1/20微米大小的物体。

研究人员将这一成果发表在最近出版的《自然—通信》杂志上，他们制造的显微镜打破了肉眼可见最小物体的记录，突破了光的衍射限制。

目前的电子显微镜只能看到细胞的表面，而不能观察它的结构，而且没有工具可以观察到活体细菌。而曼彻斯特大学的科学家认为，未来可以利用显微镜观测更小的物体图像。他们的方法在可见物体大小上不受任何理论限制。

a、线宽360nm，130nm apart，微米球超级透镜图像，和扫描电镜图像对照，显示其能清洗分辨线。 b、镀导电金膜的AAO样品图像，AAO孔径为50nm，纳米显微镜明显分辨直径50nm孔。微米球透镜将50nm孔的近场光学信息放大了约8倍，光学显微镜图像显示其为400nm。

纳米成像系统基于捕捉光学和近场虚像(不受光衍射的限制)，并将它们利用显微镜放大，通过微小的球透镜转接，再用标准显微镜放大。

李林说：“这是一项世界纪录，一个显微镜可以如此之小，而且可以在包含了各种光谱的光线下直接成像……我们不仅能看到50纳米大小的物体，而且我相信这只是个开始，我们还将能看到更小的物体。理论上来讲，我们能看到多小的物体，这是没有限制的。”

李林认为：“目前，观察微小物体的常用办法就是使用电子显微镜，即使不能看到细胞里面，至少可以看到外面。光学荧光显微镜可以通过将细胞染色来间接观察到细胞的内部，但是这种染色不能渗透病毒。”他说，“不用染色就能直接看到细胞里面，直接看到活着的病毒，改变了研究细胞的方式，让我们首次能够近距离观察病毒，了解生物医学。”

相关图片

科学家们能够观察到的其他物体还包括电镀铝氧化物纳米结构和蓝光CVC光盘上的纳米模式，这是之前的光学显微镜所不能看见的。

成果

目前一般使用电子显微镜观测极其微小的物体，但它也有一些缺陷。比如在观测细胞时，电子显微镜只能显示出细胞表面的状况，而不能用于观测细胞内部结构。之前还有研究人员先为细胞染色，然后利用特制光学显微镜观测染色后的细胞内部结构，但这种方法对病毒无效，因为染料无法进入病毒内部。而这种新型光学显微镜首次提供了在普通条件下观测细胞内部结构和病毒活动机理的手段。

a、微米球透镜反射模式图像，样品商品化blu-rayDVD碟片信道。在使用微米球前，光盘100微米厚的透明保护层被剥离掉。低于远场光学衍射限制的100nm线被微米球透镜分辨开。 b、在DVD碟片的锗锑碲薄膜上制作的星型结构的纳米显微镜反射模式图像，具有90nm尺度的星形角的复杂形状可清晰成像。