發(fā)布日期：2017-12-20
想象一下，你眼前有一個(gè)無比強(qiáng)大的光學(xué)鏡頭，透過它你能看見一只正在活細(xì)胞表面趴著的小病毒——
大膽一點(diǎn)，這不是想象，這種鏡頭已經(jīng)快被制造出來了！
范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）機(jī)械工程學(xué)Joshua Caldwell副教授團(tuán)隊(duì)12月11日在著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》發(fā)表文章，報(bào)道了這項(xiàng)不大不小的“奇跡”。
安東尼列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）試驗(yàn)玻璃、寶石和鉆石等各種透光材料，終于磨制出能將物質(zhì)放大近300倍的透鏡。從此之后，人類開啟了極微小世界的觀察之旅，點(diǎn)亮了浩若繁星的生命科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。
在這篇文章中，研究人員改進(jìn)了一種天然晶體光學(xué)材料，六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）。此前利用hBN分辨物體的最小分辨率大約比紅外顯微鏡小36倍，差不多是小型細(xì)菌的尺寸（約0.5-1微米）。新文章報(bào)道，改進(jìn)后晶體的潛在成像能力比之前最高水平大約提高了10倍！
典型的商用紅外顯微鏡的設(shè)置（左）和 Cassegrain 反射物鏡圖解（右）以及紅外顯微鏡的中心元件
“我們證明，透鏡（hyperlenses）的固有成像效率限制可以通過同位素工程改造加以克服，”項(xiàng)目組成員、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Alexander Giles說。“在納米尺度操縱和聚焦光線，其困難程度絕對(duì)超乎想象，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。但是，通過這項(xiàng)研究，我們發(fā)現(xiàn)同位素改造竟能提高材料和器件性能。”
多年來，科學(xué)家們開發(fā)出了許多儀器都具有納米級(jí)分辨率成像能力，例如電子顯微鏡和原子力顯微鏡。但是，它們與活生物體并不相容，樣品需暴露于有害輻射以及各種致命條件處理（如冷凍干燥等），而且需要在高真空條件下作業(yè)。
透鏡技術(shù)與上述這些高分辨率顯微術(shù)不同，只需要將樣品暴露在低能光線（如紅外光）覆蓋得到的自然條件下，就能提供非常詳細(xì)的活細(xì)胞圖像。
長(zhǎng)期以來，光學(xué)顯微鏡的分辨率被認(rèn)為不會(huì)超過光波波長(zhǎng)的一半，這被稱為“阿貝分辨率”。如果實(shí)驗(yàn)中使用紅外線，則“衍射極限”大概在3250納米。此前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)hBN能支持由光子和振動(dòng)耦合光子組成的混合粒子“表面聲子極化激元（surface phonon polaritons）”，因此晶體內(nèi)的帶電原子的實(shí)際波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)要短得多。但是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這樣利用極化聲子存在一個(gè)問題，它們消散速度太快。
在這項(xiàng)最新研究中，研究人員選用同位素分離的提純硼制作hBN晶體。天然硼有兩種同位素，二者質(zhì)量相差約10%，雖然不易察覺，但細(xì)心比較后研究人員發(fā)現(xiàn)，混合了兩種硼的晶體材料的光學(xué)特性顯著下降。
通過計(jì)算，研究人員預(yù)測(cè)用純硼制備的晶體透鏡原則上能捕捉到30納米尺寸的物體圖像。一根頭發(fā)直徑約8萬-10萬納米，人血紅細(xì)胞約9千納米，已知病毒約20至400納米。如果計(jì)算正確，這意味著只需透過一塊目鏡，人類將能直接觀察到小如病毒的物質(zhì)活動(dòng)！
為了證實(shí)推測(cè)，研究人員目前已經(jīng)制備了一小片由純同位素硼（純度99%）打造的hBN晶體，相比天然晶體，該晶體的光學(xué)損失明顯下降，意想不到的是極化聲子壽命也提高了3倍，分辨率也得到顯著改善。“我們現(xiàn)在用的是提純hBN的小碎片，等我們做出更大的晶體后，相信結(jié)果還會(huì)更好，”Caldwell說。
距離列文虎克手工制造了第一臺(tái)顯微鏡363年后的今天，科學(xué)家們成功將超透鏡發(fā)展提高到了一個(gè)嶄新水平。九泉之下的列文?虎克若能知道這個(gè)消息，一定也會(huì)露出欣慰的笑容。
2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在10月8日宣布授予美國(guó)科學(xué)家埃里克?白茲格（Eric Betzig）、威廉姆?莫納爾（William Moerner）和德國(guó)科學(xué)家施泰方?海爾（Stefan Hell），以表彰他們?cè)诔叻直媛薀晒怙@微技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。這種以同位素提純硼為原材料的下一代光學(xué)鏡頭，會(huì)不會(huì)也是諾貝爾獎(jiǎng)水平的重大成果呢？
來源：生物通
