【科研系列报告】谷同凯博士 基于介质微球超分辨检测的研究
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发布时间：2019-04-06
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文章标题：【科研系列报告】谷同凯博士 基于介质微球超分辨检测的研究
内容：
【科研系列报告】基于介质微球超分辨检测的研究
报告人：谷同凯
地点：A328
时间：2019/03/21 周四下午四点
2019年3月21日下午，团队博士谷同凯针对“基于介质微球超分辨检测的研究”做了学术汇报，就介质微球超分辨检测的研究进展、研究思路、存在问题以及下一步的工作安排等与组内同学和老师进行了深入交流和探讨。
随着科学技术的进步，显微镜发展至今已经成为生物学、材料学、医学、微光学等领域中必不可少的基本工具。但是传统的光学显微镜，由德国物理学家Abbe指出，受光的衍射效应和透镜有限孔径的限制，成像系统不能将光束进行无限的聚焦，从而存在着分辨率极限。为了定量地评价成像分辨率，瑞利在1874年提出了著名的“瑞利判据”，即两个点源所对应的像的强度叠加曲线中，鞍峰值约为它两侧峰值的0.74时，该两个点源恰好可以分辨。根据瑞利判据，光学显微镜的横向分辨率约为
目前超分辨检测的方法，主要有电子显微镜法、超分辨荧光显微法、结构光照明显微法和表面等离子体超分辨成像技术。总的来说，超分辨成像方法从成像工作区域划分主要分为近场超分辨与远场超分辨。
2011年，英国班戈大学的王增波小组在《Nature Communications》上提出了一种基于介质微球的超分辨成像技术。指出将折射率约1.46直径在2um到9um之间的二氧化硅微球直接放置与待测样品表面，再结合传统的光学显微镜进行观察，白光照明下便可以实现超分辨成像。该技术与已有的超分辨成像技术相比，结构尤为简单，且是白光照明下分辨率最高的技术，因此得到了国内外研究人员的广泛关注。由于介质微球制造简单，操作简单可行，成像分辨率较高，与传统显微镜兼容性好等特点，成为简单、新颖、成像效果理想的超分辨检测方法。
近年来，基于介质微球超分辨的研究，已经从单个高折射率微球的超分辨研究发展到微球半浸没/全浸没式、微柱体、堆积纳米粒子、微液滴、微线、螺旋相位微球、单微球薄膜层和级联式微球超分辨成像的研究。但是这些微球或微透镜实现方法，无法实现微球超分辨的操纵与实时监测。因此，可操纵形变、变焦与超分辨成像的微球，成为超分辨成像检测发展的趋势。基于课题组微纳米压印与模板诱导自组装技术，谷同凯博士利用该技术方法制造的可变焦液体微球，观测与模拟可操纵的超分辨成像的方法，并进行了实验验证、模拟仿真和理论分析。
1） 液体微球阵列中倏逝波耦合传输的理论研究
谷同凯博士，基于理论出发，研究光波突破阿贝衍射极限的原因。由于微球界面光波的物理属性，导致携带有高频信息分量的倏逝波进入微球，并在微球内耦合叠加，突破微球的壁垒限制，用于传输成像。由于倏逝波分量反映了物体的细节信息，所以突破衍射极限，实现了超分辨。
2） 通过模拟仿真出液体微球阵列光子纳米射流对超分辨成像的影响
光波经过微球后，在微球后必定会形成一种喷头结构的纳米光子射流。谷同凯博士通过FDTD模拟仿真出纳米光子射流的区域。通过仿真发现该区域光场能量强，影响微球的放大倍数与微球后衍射成像的最小半高宽（FWHM），进而影响了微球超分辨成像的分辨率。
3） 微球的回音壁模式（Whispering gallery mode）对超分辨成像的影响
针对微球在相干激光下的电磁耦合振荡模式，谷同凯博士利用FDTD仿真模拟出，光波进入微球后，在微球表面多次反射叠加增强，增强了传输光波的能量，使得微球后的成像对比度增加，改变了成像对比度，使得超分辨能力增强。
谷同凯博士通过纳米压印和微球自组装技术，制备了可变焦液体微球，并利用其进行试验。试验结果和理论模拟能够很好地契合。
谷同凯博士就下一步的工作安排进行了简要说明。谷同凯博士希望利用变折射率微球透镜，实现微球的可操纵变焦，在理论上可以实现最好的超分辨成像。谷同凯博士希望通过在微球中掺杂可操纵的磁性粒子，实现变折射率微球，并在实验上得到更好的微球超分辨成像效果。
最后，谷同凯博士与课题组的同学和相关老师进行了深入交流与探讨，对介质微球超分辨成像的设计、应用与操控方法进行了讨论，对疑问进行了解答，同时也激发了更多的灵感与想法。
感谢大家，我们共同努力、共同进步！