显微镜方法突破了纳米级化学成像的障碍

今天的超分辨率显微镜使我们能够以前所未有的细节观察纳米级世界。然而，它们需要荧光标签，荧光标签可以揭示结构细节，但提供的关于所研究样品的化学信息很少

这一缺点推动了振动成像技术的发展，该技术可以在不改变样品的情况下，根据分子独特的化学键来识别分子。这些方法检测样品在吸收中红外（MIR）光时的物理变化，例如由热吸收或温度引起的声信号引起的折射率变化。然而，现有的方法往往难以应对微弱的信号水平，这使得很难同时实现高分辨率（可以看到多么精细的细节）和强化学对比度（可以很好地区分分子）

正如《高级光子学》所报道的那样，一种新开发的技术，结构照明中红外光热显微镜（SIMIP），现在以比传统显微镜高两倍的分辨率解决了这一局限性

由张德龙教授领导的浙江大学研究人员开发的这项新技术代表了振动成像的重大进步，为纳米级化学和生物分析开辟了新的可能性

该系统由一个量子级联激光器（QCL）组成，该激光器激发特定的分子键，引起局部加热，降低相邻荧光分子的亮度。同时，由488nm连续波激光器和空间光调制器（SLM）组成的SIM系统产生以不同角度投影到样品上的条纹光图案

这些图案会产生莫尔条纹，将以前无法解决的高频细节编码为可检测的低频信号，由科学CMOS（sCMOS）相机捕获。通过比较有和没有振动吸收的图像，SIMIP重建了富含化学和空间信息的高分辨率图像

该团队应用Hessian SIM和稀疏反卷积算法实现了更高的空间分辨率，高达~60 nm，成像速度超过每秒24帧，超过了传统的MIR光热成像

为了验证SIMIP的准确性，研究人员在嵌入热敏荧光染料的200 nm聚甲基丙烯酸甲酯珠上进行了测试。通过在1420-1778 cm-1范围内扫描QCL，SIMIP成功地重建了振动光谱，与傅里叶变换红外光谱（FTIR）的结果非常吻合

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在分辨率方面，SIMIP比传统MIR光热成像提高了1.5倍，半峰全宽（FWHM）为335 nm，而标准方法为444 nm。此外，它能够区分亚衍射聚集体中的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯珠粒，这是标准荧光显微镜无法做到的

SIMIP的另一个优点是它能够检测自发荧光——某些生物分子发出的天然荧光。这可以通过从宽场SIM切换到点扫描SIM来实现自发荧光的结构化激发，或者通过使用较短波长的探测光束来实现宽场光热检测方法，以增强与现有光学设置的兼容性

通过将SIM与MIP集成，SIMIP实现了超越衍射极限的高速、超分辨率化学成像。这种方法为材料科学、生物医学研究和化学分析中的观察开辟了新的可能性。例如，研究人员设想使用SIMIP检测小分子代谢物并分析它们与细胞结构的相互作用

该团队现在计划增强SIMIP的时间同步，以进一步提高成像速度和准确性，并探索温度敏感染料以提高灵敏度。只需对现有SIM系统进行最小的硬件修改，SIMIP就可以在全球实验室中采用 More information: Pengcheng Fu et al, Breaking the diffraction limit in molecular imaging by structured illumination mid-infrared photothermal microscopy, Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.3.036003

Journal information: Advanced Photonics