论文标题：Super-Resolution Imaging with Patchy Microspheres（基于掩膜微球的对比度增强超分辨显微成像）

期刊：Photonics

作者：Qingqing Shang et al.

发表时间：15 November 2021

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作者介绍

叶燃 助理教授

南京师范大学

叶燃，南京师范大学计算机与电子信息学院助理教授、江苏省双创博士，曾师从南京师范大学叶永红教授从事微球超分辨显微成像研究工作；2019年于比利时鲁汶大学Sorin Melinte教授课题组从事微纳光学方向博士研究工作；现为南京理工大学左超教授课题组博士后。目前其研究兴趣主要为光学超分辨成像、计算显微成像以及微纳光学材料。

引言

微球超分辨显微成像技术因其无标记、超分辨、宽场成像等优点，受到工业检测、材料表征、生物明升手机版等领域的广泛关注。微球的近场聚焦特性是影响其超分辨成像性能的关键，然而目前现有研究中微球所产生的光子纳米射流都为轴对称结构。近年来，一种新型弯曲光子射流——光子钩被提出，但目前人们对于光子钩如何影响微球超分辨成像特性的认识仍然处于初级阶段。为了进一步挖掘微球超分辨成像的潜能，现阶段亟需发展新型微球超分辨成像的基础理论与创新方法。

近日，南京师范大学叶燃助理教授与南京理工大学左超教授、英国班戈大学王增波教授、比利时鲁汶大学Sorin Melinte教授课题组合作，首次提出了各向异性微球的超分辨成像技术。该技术采用倾斜镀膜法为微球镀上了一层局部掩膜，并基于此实现了对比度增强的无标记超分辨显微成像 (图1)。

图1. 基于Patchy微球的超分辨成像系统。

该项工作首次揭示了非对称的微球结构可以显著提高微球超分辨成像的衬度与性能，同时基于对掩膜微球 (Patchy微球) 近场聚焦现象的理论与仿真分析，进一步揭示掩膜微球的超分辨成像机理。该研究成果以“Super-resolution imaging with patchy microspheres”为题在国际著名开源学术期刊上发表，南京师范大学研究生尚晴晴、汤芬为本文共同第一作者。

研究过程及结果

该研究利用倾斜镀膜法，在紧密排列的钛酸钡玻璃微球表面沉积100纳米厚的银膜，通过银膜的掩膜效应改变微球表面局部区域的透射率，从而制备出具有各项异性光学性质的Patchy微球。将Patchy微球转移到样品表面后，结合高倍物镜可通过微球对样品表面微结构进行观测，实现在空气中的高质量超分辨成像。研究还发现尺寸为微米量级的Patchy钛酸钡玻璃微球有许多奇异的光学特性，例如其在显微镜下由于全反射，会产生银膜的镜像，并且其成像对比度相较于传统微球而言有显著提升 (图2)。

图2. Patchy微球对条纹状及点状样品成像。

通过时域有限差分法进一步对Patchy微球的近场聚焦特性进行研究发现，微球表面银膜位置会对其聚焦光场产生显著影响 (图3)。目前广泛用于超分辨成像的各向同性微球所形成的光子射流都为轴对称结构。而表面沉积银膜的Patchy微球会形成弯曲光场，产生近场倾斜照明环境。研究发现当银膜接近微球顶部时，聚焦光场具有更大的弯曲程度，而当银膜角度逐渐增大，其位置往下移动时其聚焦光场弯曲程度逐渐降低。通过模型作者提出方位角度??约为10°时Patchy微球能获得最佳的成像效果。

图3. Patchy微球光子钩与近场倾斜照明。

研究总结

该工作对Patchy微球的超分辨成像性能和近场聚焦特性进行了理论和实验研究，基于各向异性微球超分辨成像技术的发展为今后研究微透镜成像系统提供了新的思路。研究发现了Patchy微球和传统微球相比具有更加优异的成像特性，其成像对比度可提升大约6倍，并通过仿真计算进一步揭示了近场倾斜照明可通过Patchy微球激发弯曲光子射流产生。该研究成果可为今后微球成像系统的设计提供指导。

致谢

该工作获得了南京理工大学左超教授、英国班戈大学王增波教授、比利时鲁汶大学Sorin Melinte教授等团队的支持协助，同时也获得了包括国家自然app基金等项目的大力支持。

期刊介绍

主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia

期刊出版光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物明升手机版光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。

2020 Impact Factor：2.676

2020 CiteScore：3.5

Time to First Decision：14.7 Days

Time to Publication：35 Days