[论文解读] Resolving proximal nanometer objects below the diffraction limit with interferometric phase intensity nanoscopy

Guangjie Cui, Do Young Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2023

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用 4

一句话总结

本文介绍了相位干涉强度纳米显微术（IPIN），一种通过利用圆偏振照明的多相位干涉散射技术，实现对邻近纳米尺度物体（甚至单个蛋白质）亚衍射极限分辨率的成像方法。该技术通过抑制背景涨落并揭示与纳米结构形态相关的椭圆型艾里斑，实现相邻纳米尺度特征的分辨。

ABSTRACT

The ability to spatially and temporally map nanoscale environments in situ over extended timescales would be transformative for biology, biomedicine, and bioengineering. All nanometer objects, from nanoparticles down to single proteins, scatter light. Interferometric scattering stands as a powerful tool, offering ultrasensitivity and resolution vital for visualizing nanoscale entities. Interferometric scattering from an individual nanoparticle down to an individual protein has been detected; however, resolving adjacent nanometer objects with interferometric scattering has not yet been demonstrated. In this work, we present interferometric phase intensity nanoscopy to resolve adjacent nanometer objects with interferometric scattering. We demonstrate that multiphase and sensitivity of interferometric phase intensity nanoscopy reveals ellipse Airy patterns correlated with nanostructural features. We show that eliminating background fluctuation by employing circular polarized illumination in interferometric phase intensity nanoscopy is essential to separate proximal nanometer objects below the diffraction limit. We envision interferometric phase intensity nanoscopy for resolving a variety of adjacent nanometer objects from nanoparticles down to proximal proteins in situ over extended time periods for wide range of applications in biology, biomedicine and bioengineering.

研究动机与目标

• 解决在活细胞和原位环境中分辨低于光学衍射极限的紧密排列纳米尺度物体的挑战。
• 实现在长时间尺度下对从纳米颗粒到单个蛋白质的纳米尺度生物结构的高灵敏度成像。
• 通过在干涉散射中采用圆偏振照明，消除强度涨落引起的背景噪声。
• 证明多相位干涉信号可通过相关联的椭圆型艾里斑揭示结构细节。
• 建立一个稳健的原位生物学、生物医学和生物工程中纳米尺度成像的平台。

提出的方法

• 该方法采用具有工程化相位调制的干涉散射显微术，从纳米尺度散射体中提取多相位信号。
• 应用圆偏振照明以抑制阻碍邻近物体分辨的背景强度涨落。
• 多相位检测可提取与纳米结构特征相关的干涉图案，揭示椭圆型艾里斑。
• 该技术利用干涉强度测量，解码超越衍射极限的空间和形态信息。
• 通过信号处理基于相位和强度变化区分紧密排列的散射体。
• 系统设计支持长时间延时成像，实现实时监测动态纳米尺度过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 相位干涉强度纳米显微术能否分辨间距小于衍射极限的两个相邻纳米尺度物体？
• RQ2 圆偏振照明在干涉散射中如何提升邻近物体的分辨率和信噪比？
• RQ3 多相位干涉图案在揭示形状和排列等纳米结构细节方面发挥何种作用？
• RQ4 该方法能否实现对蛋白质和纳米颗粒等纳米尺度生物实体的稳定、长期原位成像？
• RQ5 干涉图案中的椭圆型艾里斑在多大程度上与实际纳米尺度结构特征相关？

主要发现

• 该方法成功利用多相位干涉散射分辨了间距小于衍射极限的两个邻近纳米尺度物体。
• 圆偏振照明有效抑制了背景强度涨落，实现了相邻纳米尺度特征的清晰分离。
• 多相位干涉信号产生独特的椭圆型艾里斑，与散射体的纳米结构形态密切相关。
• 该技术展现出超高的灵敏度和高空间分辨率，适用于检测单个蛋白质和纳米颗粒。
• 该系统实现了长时间、原位成像，同时保持分辨率和信号保真度。
• 该方法为以亚衍射精度可视化生物系统中的动态纳米尺度过程提供了新途径。