Light文獻分享——無旁瓣超分辨成像：軸向分辨率突破至26 納米
該研究由潘斌雄、王保菊、詹求強等學者共同完成，相關成果以“Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution”為題，于2025年發表在國際頂級光學期刊《Light:Science&Applications》上。
重要發現
01非線性激發與光學干涉的協同突破
UNEx-4Pi技術的底層邏輯源于對“光學非線性效應”的極致利用。傳統4Pi顯微術通過雙物鏡干涉壓縮軸向點擴散函數（PSF），但固有旁瓣強度可達主峰值的60%，嚴重影響成像質量。而UNEx-4Pi引入鑭系摻雜上轉換納米顆粒（如Yb³⁺/Pr³⁺共摻雜納米顆粒），其光子雪崩效應可產生高達35階的光學非線性響應。理論模擬顯示，當非線性階數N>10時，4Pi干涉場的旁瓣強度可被抑制至主峰值的0.1%以下，且軸向分辨率公式從傳統的dz≈λ/3n優化為dz≈λ/3n√N，即非線性階數越高，分辨率提升越顯著。實驗中，團隊采用852nm連續激光激發18nm的PA納米顆粒，通過鏡面輔助的單物鏡雙焦自干涉策略，成功獲得了軸向26nm、橫向53nm的超分辨率聚焦斑，且在觀測范圍內完全消除了旁瓣。這一結果打破了傳統認知——無需復雜的數學反卷積算法，僅通過物理機制即可實現“旁瓣清零”。
在3D超分辨率生物成像實驗中，UNEx-4Pi展現出卓越的光學切片能力。當對分布于鏡面上的PA納米顆粒進行成像時，傳統LSM因衍射極限限制，無法分辨間距100nm的顆粒；4Pi顯微術雖壓縮了軸向PSF，但旁瓣導致圖像模糊；而UNEx-4Pi不僅清晰分辨出相鄰顆粒，其軸向分辨率經實測達26nm，較LSM的1277nm提升近50倍。進一步對BSC-1細胞的核膜進行標記成像時，UNEx-4Pi在軸向32nm分辨率下，無需后期處理即可清晰呈現核膜的精細結構，而傳統4Pi與低階非線性技術則因旁瓣殘留或分辨率不足，無法分辨亞100nm的細節。這種“即拍即得”的超分辨率能力，得益于PA納米顆粒的抗光漂白特性與UNEx-4Pi的低光毒性設計，實驗中連續兩小時的活細胞成像未觀察到明顯光損傷。
03從雙物鏡到單鏡單光束的極簡升級
傳統4Pi顯微術依賴雙物鏡與多光路精準對齊，不僅硬件成本高昂，還需hourly校準。UNEx-4Pi通過“鏡面反射替代雙物鏡”的設計，將系統簡化為“單物鏡+SLM相位調制+鏡面”的結構，利用空間光調制器（SLM）生成雙焦相位圖案，經鏡面反射后形成干涉場，等效于傳統4Pi的雙物鏡聚焦效果。這種設計帶來了驚人的穩定性，當焦點偏差達1個波長（850nm）時，傳統4Pi的旁瓣強度會升至主峰值的80%，而UNEx-4Pi因超高非線性效應，仍能維持旁瓣強度<0.1%。實驗驗證其軸向動態掃描范圍達12μm，足以覆蓋貼壁生長的哺乳動物細胞，且無需軸向移動樣本臺，僅通過改變SLM圖案即可實現3D成像，大幅提升了系統實用性。
創新與亮點
01旁瓣消除的物理革命
首次在真實空間中通過純物理手段（而非算法）根除4Pi顯微術的旁瓣難題。傳統技術中，即使結合雙光子激發（2PE），旁瓣高度仍達5%，而UNEx-4Pi利用35階非線性效應，將旁瓣壓制至“零觀測”水平，從根本上解決了成像對比度與光漂白問題。
相較于isoSTED需六束激光+雙物鏡的復雜配置，UNEx-4Pi僅用單物鏡、單束低功率連續激光（852nm CW）與一面反射鏡，硬件成本降低60%以上，且無需頻繁校準，系統穩定性提升10倍以上。
03分辨率與實用性的雙重躍升
軸向λ/33（26nm）的分辨率不僅超越了現有單物鏡技術，其“低功率+抗光漂白”特性更適用于活細胞長期監測。例如，在BSC-1細胞成像中，UNEx-4Pi以100μs/像素的掃描速度，實現了核膜結構的動態捕捉，而傳統MINFLUX等技術因依賴高強度激光，難以完成類似觀測。
總結與展望
UNEx-4Pi以“非線性光學+矢量場調制”的創新思路，重新定義了超分辨率成像的技術邊界。從科學價值看，它首次證明了通過光學非線性效應可在遠場實現物理空間的無旁瓣聚焦，為研究光與物質的納米級相互作用提供了“精準探針”；從應用層面，其單光束、低光毒性的特性，使其在活細胞動態追蹤、單分子定位等領域極具潛力——例如，文中展示的核膜32nm軸向分辨率，已能滿足染色質結構解析的需求。未來，UNEx-4Pi的發展將聚焦兩大方向，一是集成自適應光學技術，克服樣本厚度帶來的像差，將成像深度從當前的12μm擴展至100μm以上，以適應組織級三維成像；二是開發更快響應的光子雪崩材料，將掃描速度提升至毫秒級，實現細胞器動態過程的實時記錄。此外，其超高非線性聚焦特性還可延伸至納米光刻、光存儲等領域，例如基于λ/33的聚焦精度，有望實現亞50nm的3D光刻線條，為下一代芯片制造提供技術儲備。這項技術不僅是超分辨率成像的一次突破，更可能成為連接光學基礎研究與納米技術應用的關鍵橋梁。
聲明：本文僅用作學術目的。
Pan B, Wang B, Ni Y, Zhao Q, Wang Y, Cai Y, Zhan Q. Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution. Light Sci Appl. 2025 Apr 21;14(1):168.
DOI:10.1038/s41377-025-01833-x.
