發布日期：2017-12-20

想象一下，你眼前有一個無比強大的光學鏡頭，透過它你能看見一只正在活細胞表面趴著的小病毒——

大膽一點，這不是想象，這種鏡頭已經快被制造出來了！

范德堡大學（Vanderbilt University）機械工程學Joshua Caldwell副教授團隊12月11日在著名學術期刊《Nature Materials》發表文章，報道了這項不大不小的“奇跡”。

安東尼列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）試驗玻璃、寶石和鉆石等各種透光材料，終于磨制出能將物質放大近300倍的透鏡。從此之后，人類開啟了極微小世界的觀察之旅，點亮了浩若繁星的生命科學新發現。

在這篇文章中，研究人員改進了一種天然晶體光學材料，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，差不多是小型細菌的尺寸（約0.5-1微米）。新文章報道，改進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，”項目組成員、美國海軍研究實驗室的物理學家Alexander Giles說。“在納米尺度操縱和聚焦光線，其困難程度絕對超乎想象，幾乎不可能實現。但是，通過這項研究，我們發現同位素改造竟能提高材料和器件性能。”

多年來，科學家們開發出了許多儀器都具有納米級分辨率成像能力，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。

透鏡技術與上述這些高分辨率顯微術不同，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，就能提供非常詳細的活細胞圖像。

長期以來，光學顯微鏡的分辨率被認為不會超過光波波長的一半，這被稱為“阿貝分辨率”。如果實驗中使用紅外線，則“衍射極限”大概在3250納米。此前，科學家們發現hBN能支持由光子和振動耦合光子組成的混合粒子“表面聲子極化激元（surface phonon polaritons）”，因此晶體內的帶電原子的實際波長比入射波長要短得多。但是，實驗發現這樣利用極化聲子存在一個問題，它們消散速度太快。

在這項最新研究中，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，二者質量相差約10%，雖然不易察覺，但細心比較后研究人員發現，混合了兩種硼的晶體材料的光學特性顯著下降。

通過計算，研究人員預測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。一根頭發直徑約8萬-10萬納米，人血紅細胞約9千納米，已知病毒約20至400納米。如果計算正確，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活動！

為了證實推測，研究人員目前已經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，相信結果還會更好，”Caldwell說。

距離列文虎克手工制造了第一臺顯微鏡363年后的今天，科學家們成功將超透鏡發展提高到了一個嶄新水平。九泉之下的列文?虎克若能知道這個消息，一定也會露出欣慰的笑容。

2014年的諾貝爾化學獎在10月8日宣布授予美國科學家埃里克?白茲格（Eric Betzig）、威廉姆?莫納爾（William Moerner）和德國科學家施泰方?海爾（Stefan Hell），以表彰他們在超高分辨率熒光顯微技術領域的貢獻。這種以同位素提純硼為原材料的下一代光學鏡頭，會不會也是諾貝爾獎水平的重大成果呢？

來源：生物通