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项目名称:纳米照明首次实现片上大视场无标记远场纳米显微成像

 申报单位:光电科学与工程学院   人:刘旭、杨青

项目简介

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浙江大学光电学院刘旭、杨青团队瞄准了国际上在大视场、远场、无标记超分辨显微成像的这一重要空白,开创性地将发光纳米材料作为局域光源,巧妙地利用其小尺寸、大表体比、强光局域能力和强倏逝场等特点,并与二维波导相复合,在国际上首次实现了大视场的远场无标记超分辨显微成像,打破了目前超分辨显微领域的瓶颈,获得的视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级,且方便快捷、普适性强,在集成芯片、蓝光DVD、3T3 l1癌细胞等不同领域的亚波长样品上均得到了验证。该技术成本低廉、与广泛使用的显微镜系统具有优秀的兼容性,可设计成紧凑式照明模块使普通显微镜具备超分辨能力。该成果被称为纳米线环形照明显微术,发表在国际物理学顶级学术期刊《物理评论快报》上(PRL 118, 076101 (2017) );入选“2017中国光学十大进展-应用研究类”,被认为“纳米照明首次实现片上大视场无标记远场纳米显微成像”;以“我国学者在无标记远场超分辨领域取得突破”为题被中国科学网报道。该方法可满足生物、医学、材料等国家前沿领域发展的迫切需求,为我国高端光学显微镜及超高分辨探测仪器的“跨代式”发展和实用化提供新的核心技术储备,促使我国成为新兴工业强国。

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科学解读

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光学成像是人们获取信息的最重要手段之一,尤其是利用光学显微术,人们可以观察和了解微观世界的奥秘。1873年,德国科学家Abbe提出光学成像系统的“衍射极限”,它决定了光学显微镜都存在一个分辨率极限,由光波长及透镜的数值孔径决定。由于“衍射极限”的存在,可见光波段光学显微镜无法实现200纳米以下的高分辨成像。为此人们不断努力,发展超分辨成像技术,希望突破衍射极限,获得更高的分辨率。2014年从事荧光超分辨光学显微术的三位科学家获得了诺贝尔化学奖,开启了人类利用荧光标记方法实现超分辨显微的大门。尽管人类的光学显微已进入超分辨时代,然而目前的超分辨显微术遇到了需要借助荧光标记、成像速度慢、样品选择性强、应用对象受限等瓶颈。探索并发展无需标记、视场大、结构与相位均能快速成像的新型超分辨光学成像系统成为人们关注的难点与热点。

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室杨青教授长期致力于微纳材料和微纳光子器件研究,取得一系列创新性成果。刘旭教授团队在超分辨显微领域取得了丰硕成果。以这些前期工作为基础,研究团队结合空间移频和斯托克斯移频,将环形纳米线作为高效局域光源与二维微纳波导耦合,实现了360度大波矢、部分相干、大面积倏逝场照明,在国际上首次实现了大视场的远场无标记超分辨显微成像,打破了目前超分辨显微领域的瓶颈,获得的视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级,且方便快捷、普适性强,在集成芯片、蓝光DVD、3T3 l1癌细胞等不同领域的亚波长样品上均得到了验证。该技术成本低廉、与广泛使用的显微镜系统具有优秀的兼容性,可设计成紧凑式照明模块使普通显微镜具备超分辨能力,为在纳米尺度上观测细胞活动提供了可能性,在生物医学、集成芯片和纳米材料等领域具有重要的应用前景,同时也为推进微纳发光器件的实际应用迈出了重要的一步。

这种方法被称为纳米线环形照明显微术(Nanowire Ring Illumination Microscopy-NWRIM),在国际物理学顶级学术期刊《物理评论快报》发表 (Physical Review Letters 118, 076101 (2017) )。该成果发表后,于2018年3月13日入选“2017中国光学十大进展-应用研究类”,被认为“纳米照明首次实现片上大视场无标记远场纳米显微成像”。于2017年3月21日,以“我国学者在无标记远场超分辨领域取得突破”为题被中国科学网报道。

 这一方法可在纳米级别实现光学信息的快速获取,将极大地推动生物、医学、材料等国家前沿领域的发展,满足它们的迫切需求,因此具有广阔的应用前景和重要的发展潜力。它为我国高端光学显微镜以及超高分辨纳米探测仪器的“跨代式”发展提供了新的理论基础、核心器件及关键技术储备,不仅对提高我国显微镜设备的国际竞争力具有非常重大的实际价值,并将派生其它信息技术新产业,将对国民经济发展起到重要推动作用。另一方面,纳米制造技术是将纳米技术推向实用化和产业化的关键。灵敏、方便、快速的纳米超分辨光学获取技术与设备是保证纳米制造得以产业化的基本条件,因此发展出对纳米分辨光学信息快速获取的技术与装备,必将推进我国新兴产业的发展,促进我国更好更快地进入新兴工业强国的行列。

 

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项目团队

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浙江大学光电科学与工程学院刘旭、杨青团队,长期致力于纳米级显微成像和纳米级光学器件的相关研究,为国内该领域中的领军团队之一。刘旭教授为教育部长江特聘教授(2009)、国务院国家特殊津贴获得者(1998)、国家级高等学校教学名师(2011);现任中国光学学会秘书长,浙江大学光电工程研究所所长;在国内外学术刊物上发表研究论文近300篇,作为第一完成人获国家科技进步二等奖一项。杨青教授为浙江省杰出青年基金获得者、浙江省万人计划青年拔尖人才入选者;发表SCI论文58篇,SCI他引1742次,H因子25,5篇ESI高被引;2010年以来第一或通信作者在Nano Lett.等IF>10期刊及PRL发表论文10篇;工作被20多家主流技术媒体报道;国际会议邀请报告16次、组委会委员3次;任Science Bulletin副主编、IEEE spectrum科技纵览编委;获浙江省科学技术奖一等奖和国际先进材料奖等奖项。在刘旭和杨青两位教授的带领下,该团队瞄准了国际上在大视场、远场、无标记超分辨显微成像的这一空白,他们开创性地将发光纳米材料作为局域光源,巧妙地利用其小尺寸、大表体比、强光局域能力和强倏逝场等特点,并与二维波导相复合,在国际上首次实现了大视场的远场无标记超分辨显微成像,打破了目前超分辨显微领域的瓶颈,获得的视场比以往报道的无标记型远场超分辨显微方法扩展了2个数量级,且方便快捷、普适性强,在集成芯片、蓝光DVD、3T3 l1癌细胞等不同领域的亚波长样品上均得到了验证。该技术成本低廉、与广泛使用的显微镜系统具有优秀的兼容性,可设计成紧凑式照明模块使普通显微镜具备超分辨能力。这些特点使其在生物医学、集成工艺、材料科学等重要领域具有广阔的应用前景,同时也为推进微纳发光器件的实际应用迈出了重要的一步。

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  • 评论人:吴仍茂 评论时间:2018-04-24
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    评论内容:支持刘导和杨老师!
  • 评论人:何盈珠 评论时间:2018-04-21
    0
    评论内容:很棒啊!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:纳米技术应用于光学领域的典范,点赞
  • 评论人:刘秋兰 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:棒棒哒
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:研究内容很新颖,很有发展前景。
  • 评论人:张辉 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:研究工作难度大,创新强,值得点赞!
  • 评论人:李杭霏 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:团队很棒,为师姐骄傲!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    0
    评论内容:十大学术成果!厉害!
  • 评论人:陈睿 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:很抢眼很有创意的研究,赞
  • 评论人:谌群芳 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:超分辨显微领域的新突破,获得2017中国光学十大进展-应用研究类,必须赞!所有成果的背后都是数年的坚持和付出,为未来的应用又推进了一大步!期待PRL以上的下一次的突破!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    6
    评论内容:研究很有创新点,后续可以有巨大的研究空间
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    6
    评论内容:无需标记的超分辨成像确实是目前的一个国际学术难题,厉害哦👍