突破光学衍射极限

突破衍射极限——探索纳米世界的超分辨显微技术作者：李德增陈波来源：《化学教学》2015年第01期摘要：介绍了2014年诺贝尔化学奖，并以此为背景围绕着如何突破衍射极限提高分辨率这一核心问题，通过衍射极限产生的原因、突破的途径及新型显微技术发展的历程及特点等几个方面展开阐述，以期更好地认识新型光学显微技术在探索纳米世界时的作用和意义。

关键词：诺贝尔化学奖；衍射极限；瑞利判据；超分辨率；荧光显微技术文章编号：1005–6629（2015）1–0012–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B1 引言2014年10月8日，2014年度诺贝尔化学奖揭晓，美国科学家埃里克·白兹格（Eric Betzig）、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔（William E. Moerner）和德国科学家斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）三人获奖，以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。

长期以来，光学显微镜的分辨率被认为是有极限的，它不可能超过二分之一个光波长度，对于可见光波长而言，约200纳米。

1873年德国物理学家阿贝（E. Abbe）指出衍射极限是传统光学显微镜存在最大分辨率的物理限制。

然而，在荧光分子的帮助下，今年诺贝尔奖化学奖的几位获得者巧妙地绕开了这种限制，并突破了这一极限。

他们划时代的贡献将传统光学显微镜技术带进了纳米领域，使光学显微镜步入了纳米时代。

根据纳米荧光显微技术，科学家实现了活体细胞中单个分子通路的可视化。

他们能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触；还可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况等等。

然而科学家在最小分子水平上对活体细胞细节进行研究时，却受到了限制。

由于今年三位诺奖得主的贡献，我们可以利用突破衍射极限的光学显微镜对纳米世界一探究竟。

这次获奖的是两项独立的技术。

第一项是Stefan Hell于2000年研制的受激发射损耗（STED）显微技术。

突破衍射极限的表面等离子体激元陈燕坤;韩伟华;李小明;杜彦东;杨富华【期刊名称】《光电技术应用》【年(卷),期】2011(026)004【摘要】Surface plasmonics polaritons are waves that propagate along the metal-dielectric interfaces, caused by the collective oscillations of electron plasma in the metal induced by the external electromagnetic field. With the properties of sub-wavelength localization, near-field enhacement and novel dispertions, surface plamon polaritons play a significant role in nanophotonics. Plasmonic devices have the potential of integrating microelectronics and photonics in one chip beyond the diffraction limit. The basic principles of plasmonics, and their applications in optical waveguides, detectors, modulators and solar cells are discussed.%表面等离子体激元是外部电磁场诱导金属表面自由电子的集体共振，产生沿金属-介质界面传输的表面波，具有亚波长局域、近场增强和新颖的色散特性，在纳米光子学中发挥着重要的角色。

利用表面等离子体激元构成的光学器件能够突破衍射极限，实现微电子与光子在同一个芯片上的集成。

受激发射损耗的基本原理
如果你有一根粗笔，怎么能够用它画细线？ 买块橡皮。先画个粗的，再擦去两边的多余部分. STED用的就是这个原理。 使用一种合适的激光,仅激发一个点的荧光基团使其 发光,然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围 的荧光强度,这样就只有一个点发光并被观察 了.
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受激发射损耗的基本原理
衍射极限
突破光学衍射极限的办法之一是近场光学显微镜,它 是利用探针探测样品表面的隐失场而获得样品表面 信息. 在一些领域,比如生物上观察活细胞,仅有表面信息 是远远不够的,迄今为止远场光学显微术仍是显示细 胞内部三维结构的重要方法. STED荧光显微镜是一种可以突破光学衍射极限的远 场光学显微术.
激发光可以使基态荧光粒子从基态跃迁到激发态,随 后用损耗光(损耗光就是用来损耗荧光的光)照射样 品,引起荧光物质的受激辐射, 消耗了可以发射荧光 的能级(荧光态)上的粒子数。受激辐射的作用是迫 使粒子在它们被激发之后立刻回到基态 ,使焦斑上 那些受到损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力 , 而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域 内, 于是获得了一个小于衍射极限的发光点. 激发光将基态粒子激发到激发态后,向下跃迁的几率 K=σ×I.
使用一种合适的激光仅激发一个点的荧光基团使其发光然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围的荧光强度这样就只有一个点发光并被观察激发光可以使基态荧光粒子从基态跃迁到激发态随后用损耗光损耗光就是用来损耗荧光的光照射样品引起荧光物质的受激辐射消耗了可以发射荧光的能级荧光态上的粒子数
衍射极限
18 世纪 70 年代,德国物理学家恩斯特-阿贝(Ernst Abbe)发现,可见光由于其波动特性会发生衍射,因而 光束不能无限聚焦.后经瑞利归纳为瑞利判据. 以前人们认为传统光学显微镜的极限为200nm(λ/2). 小于这个尺寸的物体必须借助电子显微镜或隧道扫 描显微镜才能观察。

杨拓拓(苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000)1基本原理显微镜成像原理及视角放大率显微镜由物镜和目镜组成。

物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。

图1-1显微镜系统光路图牛顿放大率公式：f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。

根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为'1'1'11--f f x ∆==β 目镜的视觉放大率为：'22250f =Γ组合系统的放大率为'2'121250f f ∆-=Γ=Γβ显微镜系统的像方焦距∆-=/'2'1'f f f '250f =Γ显微镜系统成倒像轴向放大率 '1f'2'1'2'1/f f x x =β若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动方向相同。

显微系统的角放大率'2'1'2'1/x x f f =γ即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。

显微镜的孔径光阑单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。

复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。

对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。

显微镜的视场光阑和视场在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。

由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。

显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求：1'120202β∆=≤f y 显微镜的分辨率和有效放大率光学仪器分辨率瑞利判据：两个相邻的“点”光源所成的像是两个衍射斑，若两个等光强的非相干点像之间的间隔等于艾里圆的半径，即一个像斑的中心恰好落在另一个像斑的第一暗环处，则这两个点就是可分辨的点。