近日，湖南大學(xué)羅海陸和文雙春教授團(tuán)隊(duì)將光學(xué)模擬運(yùn)算和單光子成像技術(shù)結(jié)合，提出并實(shí)驗(yàn)證明了量子暗場顯微鏡的實(shí)現(xiàn)方法，為探索未知生命細(xì)節(jié)開拓了新思路。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

光學(xué)顯微鏡是探索微觀世界的重要工具，已成為現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)充滿活力的研究方向。在微觀世界中，細(xì)胞是生命體的結(jié)構(gòu)單元，也是生命活動(dòng)的基本單位。生物細(xì)胞的大小、形態(tài)以及結(jié)構(gòu)特征與細(xì)胞的功能和活動(dòng)相適應(yīng)，對(duì)其特征識(shí)別技術(shù)的研究是生命科學(xué)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展支柱。

大多數(shù)生物細(xì)胞是微小透明的，通常情況下可看作是純相位物體，因?yàn)樗鼈儍H影響輸入光場的相位而不是振幅。純相位物體的散射光非常弱，使得從壓倒性的輸入光背景中揭示其透明結(jié)構(gòu)變得極具挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)顯微鏡的靈敏度和分辨率從根本上受到環(huán)境噪聲的限制，可以通過增加照明光的強(qiáng)度有效降低環(huán)境噪聲的影響。但對(duì)于光敏生物樣品，傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)面臨一個(gè)關(guān)鍵困難：大的光照強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致樣品的生物物理損傷。

對(duì)此，湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院羅海陸/文雙春教授團(tuán)隊(duì)將光學(xué)模擬運(yùn)算和單光子成像技術(shù)結(jié)合，提出并實(shí)驗(yàn)證明了量子暗場顯微鏡的實(shí)現(xiàn)方法。

a為量子暗場顯微成像實(shí)驗(yàn)裝置圖，b為不同泵浦功率下信號(hào)端（紅線）、預(yù)示端（綠線）和兩者之間的符合（藍(lán)線）光子計(jì)數(shù)，c為符合光子計(jì)數(shù)和偏振角之間的關(guān)系，圖片來自湖南大學(xué)物電院

光學(xué)模擬計(jì)算是指用光學(xué)的方法對(duì)光場分布執(zhí)行數(shù)學(xué)上的運(yùn)算。團(tuán)隊(duì)基于細(xì)胞散射光內(nèi)稟的光學(xué)微分運(yùn)算，對(duì)光場相位分布進(jìn)行微分運(yùn)算。純相位物體的重要特征主要體現(xiàn)在相位分布的局部變化，對(duì)相位分布作微分運(yùn)算可以提取透明細(xì)胞的特征。

單光子觸發(fā)成像則是一種超低噪聲的成像技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到單個(gè)光子。單光子探測器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱信號(hào)成像，有效濾除了時(shí)域上不重疊的環(huán)境噪聲。單光子觸發(fā)探測成像方法大幅提升了少數(shù)光子條件下的成像信噪比和對(duì)比度，避免對(duì)光敏細(xì)胞的生物物理損傷。

透明生物細(xì)胞的量子顯微成像結(jié)果，a和b為內(nèi)部觸發(fā)ICCD的直接明場像和直接暗場像，c和d為由單光子觸發(fā)的量子明場像和暗場像，e-h分別為沿a-d中的白色虛線提取的強(qiáng)度分布，圖片來自湖南大學(xué)物電院

前述論文第一作者為湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院博士生劉佳威，通訊作者為羅海陸教授。此項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目支持。