博覽：2021 Nature量子增強(qiáng)非線性顯微鏡

正文

博覽：2021 Nature量子增強(qiáng)非線性顯微鏡

技術(shù)背景：

光學(xué)顯微鏡是了解生命系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的有力工具忆矛。當(dāng)前的先進(jìn)顯微鏡有：以近原子分辨率對(duì)生物分子成像的超分辨率顯微鏡，快速探索三維活細(xì)胞的光片顯微鏡请垛，用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)光遺傳學(xué)控制的高速顯微鏡等催训。然而，這些顯微鏡的靈敏度宗收、分辨率和成像速度從根本上受限于散粒噪聲漫拭。散粒噪聲是由于光被量化為光子產(chǎn)生的。雖然通過(guò)增加照明光的強(qiáng)度可以減少散粒噪聲的影響混稽，但是對(duì)于許多應(yīng)用于生物學(xué)的先進(jìn)顯微鏡而言采驻，由于光對(duì)生物活動(dòng)的侵入审胚，導(dǎo)致這種方法并不可行。眾所周知礼旅，過(guò)量的光會(huì)干擾生物的功能膳叨、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致生物死亡痘系。

幾十年來(lái)菲嘴，人們已經(jīng)知道可以利用量子關(guān)聯(lián)(quantum correlations)從用于光學(xué)測(cè)量的每個(gè)光子中提取更多信息。這使得我們不再需要糾結(jié)于信噪比和光強(qiáng)之間的平衡汰翠。實(shí)際上龄坪，出于這個(gè)原因，量子關(guān)聯(lián)已經(jīng)是提高激光干涉引力波探測(cè)器性能的常用手段奴璃。靈敏度提高的重要性促使人們將量子關(guān)聯(lián)照明引入顯微鏡領(lǐng)域悉默。量子關(guān)聯(lián)也被用于紅外光譜成像和光學(xué)相干層析的照明。然而苟穆，所有先前的實(shí)驗(yàn)使用的光強(qiáng)度比通常會(huì)出現(xiàn)生物物理?yè)p傷的光強(qiáng)度低 12 個(gè)數(shù)量級(jí)以上抄课，并且遠(yuǎn)低于精密顯微鏡中通常使用的強(qiáng)度。因此雳旅，它們沒(méi)有提供絕對(duì)的靈敏度優(yōu)勢(shì)(在沒(méi)有量子關(guān)聯(lián)的情況下跟磨，使用更高的光功率可以實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度)。由于用于產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)的方法的局限性攒盈、且量子關(guān)聯(lián)產(chǎn)生后的脆弱性以及集成到精密顯微鏡中極具挑戰(zhàn)性等抵拘，表明將照明強(qiáng)度提高到與高性能顯微鏡相關(guān)的水平是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

相干拉曼顯微鏡是一種非線性顯微鏡型豁，可探測(cè)生物分子的振動(dòng)光譜僵蛛。它可以對(duì)化學(xué)鍵以極高的特異性進(jìn)行無(wú)標(biāo)記成像(特異性遠(yuǎn)高于使用熒光等可行的特異性手段)。這為研究廣泛的生物活動(dòng)(包括代謝活動(dòng)迎变、神經(jīng)退行(nerve degeneration)充尉、神經(jīng)元膜電位和抗生素反應(yīng))提供了新的有力手段。

當(dāng)前不足：

光損傷嚴(yán)重限制了相干拉曼顯微鏡的靈敏度和成像速度衣形，為強(qiáng)大的前瞻性應(yīng)用（如無(wú)標(biāo)記光譜多路復(fù)用成像(label-free spectrally multiplexed imaging)）帶來(lái)了障礙驼侠。最先進(jìn)的相干拉曼顯微鏡已經(jīng)受到散粒噪聲的限制。因此谆吴，無(wú)法通過(guò)改進(jìn)儀器來(lái)克服這個(gè)障礙倒源。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：

基于此，澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Catxere A. Casacio(第一作者)和Warwick P. Bowen(通訊作者)提出了一種結(jié)合量子關(guān)聯(lián)照明的相干拉曼散射顯微鏡,可以打破散粒噪聲限制句狼，提高信噪比笋熬、靈敏度和成像速度。在對(duì)細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行成像時(shí)腻菇，信噪比提高了 35%突诬。結(jié)合亞波長(zhǎng)分辨率和高靈敏度(提升14%)苫拍，可以看到原本會(huì)被散粒噪聲掩埋的生物特征。利用量子關(guān)聯(lián)可以避免光致?lián)p傷旺隙。消除了相干拉曼顯微鏡和更廣泛的高性能顯微鏡進(jìn)一步發(fā)展的根本障礙。

原理解析：

（1）借助壓縮態(tài)光場(chǎng)的光學(xué)測(cè)量可以突破散粒噪聲極限骏令，通過(guò)明亮壓縮光源與相干拉曼顯微鏡結(jié)合蔬捷，可以實(shí)現(xiàn)突破散粒噪聲限制的成像效果。顯微鏡采取倒置結(jié)構(gòu)榔袋，集成了傳統(tǒng)明場(chǎng)成像和量子增強(qiáng)受激拉曼成像(如圖1a)周拐。選用近紅外波長(zhǎng)減小生物樣品的激光吸收和光損傷。圖1a左為泵浦光生成部分凰兑，中為受激拉曼散射生成及同時(shí)明場(chǎng)顯微鏡成像妥粟，右為斯托克斯光束檢測(cè)及使用頻譜分析儀進(jìn)行信號(hào)處理。明亮壓縮光源(bright squeezed light)詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2吏够。

（2）使用專用的光學(xué)參量放大器在斯托克斯光子之間引入了量子關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)勾给，實(shí)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)抑制噪聲，從而提高顯微鏡的信噪比锅知。關(guān)聯(lián)抑制或“壓縮(squeeze)”受激拉曼調(diào)制邊帶(sideband)頻率下斯托克斯場(chǎng)上的噪聲幅度（圖 3a播急，虛線），同時(shí)保持拉曼信號(hào)強(qiáng)度不變（盡管時(shí)空模態(tài)變化會(huì)影響這一點(diǎn)）售睹。

成像效果圖:

a桩警、拉曼位移為 3,055 cm-1 的 3 μm 聚苯乙烯珠子圖像，樣品上泵浦功率6 mW 昌妹。背景（綠色）無(wú)拉曼信號(hào)捶枢，受到測(cè)量噪聲的限制，該噪聲比散粒噪聲低 0.9 dB飞崖，信噪比提高了 23%烂叔。
b、拉曼位移為2,850 cm-1的水性緩沖液中活酵母細(xì)胞（釀酒酵母）的圖像蚜厉。幾個(gè)細(xì)胞器清晰可見(jiàn)长已。也可以看到可能是細(xì)胞膜或細(xì)胞壁的模糊輪廓，表明顯微鏡的分辨率約為 200 nm昼牛。在這里术瓮，測(cè)量噪聲比散粒噪聲降低了 1.3 dB，相當(dāng)于信噪比提高了 35%贰健。樣本處泵浦功率約為30 mW 胞四。 210 W μm-2 的泵浦強(qiáng)度低于可觀察到的細(xì)胞損傷的強(qiáng)度。

（a伶椿、b 中的虛線矩形框顯示用于確定測(cè)量噪聲的區(qū)域辜伟，插圖是明場(chǎng)顯微鏡圖像氓侧。）

c、一系列圖像导狡，其中兩個(gè)細(xì)胞以與 b 中相同的泵浦功率照射约巷，但聚焦到大約高兩倍的強(qiáng)度。僅曝光幾秒鐘后即可觀察到可見(jiàn)光損傷（中間和底部圖像）旱捧。

參考文獻(xiàn)：Casacio, C.A., Madsen, L.S., Terrasson, A. et al. Quantum-enhanced nonlinear microscopy. Nature 594, 201–206 (2021).

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