等离子体超表面的利用-运动活细胞的高分辨率成像

在追求对极小的结构和现象的高精度成像的过程中，科学家们一直在向光学显微镜的分辨率的极限推进，但这些进步往往伴随着复杂度以及成本的增加。

目前，日本的研究人员已经证实，即使使用传统的宽视野显微镜，在玻璃表面嵌入自组装金纳米颗粒也可提高分辨率，而这几乎不增加成本，同时也促使高分辨率荧光显微镜能够对活细胞进行高速成像。

由于光学显微镜通过放大光线来获得物体结构的详细图像，其能分辨的物体的尺寸长期以来一直受到衍射的限制。衍射是光的一种特性，它使光在通过小孔时扩散。

研究人员一直在开发先进的光学系统来克服这些限制的技术，但其中许多技术依赖于强激光的使用，强激光会破坏甚至杀死活细胞，而扫描样本或是处理多幅图像则难以做到实时成像。

“目前的技术可以产生令人惊叹的图像，但其中许多需要用到高度专业化的设备，且无法观察活细胞的运动，” 九州大学材料化学与工程研究所的著名教授玉田圭司井上熏说道。

玉田圭司教授和她的团队发现，利用实时荧光显微技术对细胞成像，可以通过改变细胞下面的表面来提高传统广角显微镜下的分辨率，使其接近衍射极限。

在荧光显微镜中，感兴趣的细胞结构被标记上分子，这些分子从入射光中吸收能量，然后通过荧光过程，以不同颜色的光重新发射，然后被探测器收集形成图像。

虽然细胞通常是在平板玻璃上成像，但玉田圭司的研究小组在玻璃表面涂上了一层由一层薄的二氧化硅覆盖的自组装的金纳米粒子，形成了具有特殊光学性能的超表面。

只有直径为12纳米的有序的金属纳米颗粒表现出一种被称为局部表面等离子体共振的现象，即超表面从附近的发光分子中收集能量，再进行高效的再发射，从而产生厚度为10纳米的粒子表面的增强发射。

玉田圭司解释说道：“通过引入纳米颗粒，我们很好地创建了只有几纳米厚的发光平面。” “由于感兴趣的光是从这么薄的一层发出的，我们得以更好地研究它。”

额外的好处来自能量快速传递到超表面，减少扩散可进一步确定发射点的位置。并且超表面具有高折射率，这根据阿贝衍射极限有助于提高分辨率。

利用超表面技术，研究人员对被称为3T3成纤维细胞的小鼠细胞实时成像，这些细胞通过基因工程产生一种叫做paxillin的蛋白质，这种蛋白质经过改造后在兴奋时会发出绿光。Paxilin在形成细胞膜的黏附点(细胞膜分子与外界相互作用的地方)中起着关键作用。用垂直于表面的激光照射整个样品，研究人员能够用超表面代替玻璃以更高分辨率对细胞膜附近的Paxilin变化进行成像。

倾斜照明光以实现全内反射，研究人员可以获得更高对比度的图像。因为大多数照明光是从表面反射而来的，只有少量到达细胞侧，从而减少了由于照明光深入到细胞内而产生的杂散光。

同用超高分辨率数码相机以每500毫秒记录的图像分析显示，仅在几个像素的光点上，强度存在明显差异，表明分辨率约为200 nm，接近衍射极限。

细胞在超表面上的成像时间也可以更长，因为尽管输入能量较低，但发射增强了，因此随着时间的推移减少了细胞损伤。

玉田圭司评论说道：“对于使用现有光学显微镜的世界各地的研究人员来说，超表面是提高分辨率的一个有前途的选择”。除了继续改进超表面在常规显微镜中运用之外，研究人员还在探索它们在更复杂的显微镜系统所具有的优势。

只有直径为12纳米的有序的金属纳米颗粒表现出一种被称为局部表面等离子体共振的现象，即超表面从附近的发光分子中收集能量，再进行高效的再发射，从而产生厚度为10纳米的粒子表面的增强发射。

玉田圭司解释说道：“通过引入纳米颗粒，我们很好地创建了只有几纳米厚的发光平面。” “由于感兴趣的光是从这么薄的一层发出的，我们得以更好地研究它。”

额外的好处来自能量快速传递到超表面，减少扩散可进一步确定发射点的位置。并且超表面具有高折射率，这根据阿贝衍射极限有助于提高分辨率。

利用超表面技术，研究人员对被称为3T3成纤维细胞的小鼠细胞实时成像，这些细胞通过基因工程产生一种叫做paxillin的蛋白质，这种蛋白质经过改造后在兴奋时会发出绿光。Paxilin在形成细胞膜的黏附点(细胞膜分子与外界相互作用的地方)中起着关键作用。用垂直于表面的激光照射整个样品，研究人员能够用超表面代替玻璃以更高分辨率对细胞膜附近的Paxilin变化进行成像。

倾斜照明光以实现全内反射，研究人员可以获得更高对比度的图像。因为大多数照明光是从表面反射而来的，只有少量到达细胞侧，从而减少了由于照明光深入到细胞内而产生的杂散光。

同用超高分辨率数码相机以每500毫秒记录的图像分析显示，仅在几个像素的光点上，强度存在明显差异，表明分辨率约为200 nm，接近衍射极限。

细胞在超表面上的成像时间也可以更长，因为尽管输入能量较低，但发射增强了，因此随着时间的推移减少了细胞损伤。

玉田圭司评论说道：“对于使用现有光学显微镜的世界各地的研究人员来说，超表面是提高分辨率的一个有前途的选择”。除了继续改进超表面在常规显微镜中运用之外，研究人员还在探索它们在更复杂的显微镜系统所具有的优势。