光学显微镜的空间和时间分辨率J限是多少?

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这是一个很大的问题,我抛砖引玉吧

从我粗略的认识来看,这个问题至少涉及了3个诺奖

1999年的化学奖、2008年的化学奖、2014年的化学奖

时间和空间是光学非常重要的概念,有时候还可以相互转化,这其实是两种不同的技术路线

1. 空间分辨力

从空间角度讲,又分近场和远场

如果指分辨力J限,那一定是近场扫描显微镜NSOM,可以达到100nm以下,理论上就不存在分辨力J限。

如果是远场,受到衍射J限的限制。通常分辨力用瑞利判据或者PSF的FWHM来评价,一般不会超过波长量级。2014年诺贝尔化学奖颁给了超分辨荧光显微成像。之所以是化学奖,我个人认为,可能是由于在这个过程中借助了荧光分子,而不是纯粹的物理手段实现的远场超分辨。本质上光学显微镜的超分辨,还是为了观测活体样品,如果是材料,用电镜或者原子力显微镜可以达到远超光学显微镜的分辨力水平。

PALM/STORM都是用时间换空间的技术,但是分辨力应该很难超过STED。STED需要很强的猝灭光,理论上猝灭光足够强就可以达到足够高的分辨力,但是也会伴随着更强的光毒性和损伤。国内席鹏老师应该是做的非常有影响力的,据我不完全了解,可以做到20nm以下的分辨率。另外比较强势的应该是,Stefan Hell大佬的MINFLUX,结合了STED、PALM、STORM的一些技术特点,可以达到10nm以下的分辨力。

以上大部分远场超分辨依然需要借助荧光分子的标记,label-free的技术方法可能会有更广泛的适用性。目前的话,看很多老师做的计算成像、四波混频之类的工作,希望未来会有更广阔的前景。

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2. 时间分辨力

在空间分辨力部分,会看到很多用时间换空间的技术手段,实际上时间和空间就是可以相互转化的。

换算成距离就是1纳秒光传播30cm,1皮秒光传播300μm,1飞秒光传播300nm。

我们很难去控制探测器采集fs时间尺度发生的事件,但是如果我们把两个事件之间的时间间隔调控到不同的时间尺度,然后反复观测,就可以得到在一段J短时间窗口内发生的一些化学变化。一个fs对应300nm,也就是说,如果两个脉冲光传播的空间距离,可以控制在亚微米水平,就可以实现fs时间尺度内现象的观测。也就是泵浦-探测。除了fs以外,还会有阿秒物理,但是这种时间尺度的问题,就远远超出我的认知了。

除此之外,如果是超快成像的部分,可以看汪立宏老师、王立代老师的一些工作。能观测到ps时间尺度的光的传播。[1]

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光传输的超快成像

参考:

^LU, YU. , WONG, Terence. TW. , CHEN, FENG. & WANG, LIDAI. (May 2019). Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography. Physical Review Letters. 122. 193904 .

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