中國科學院上海高等研究院宏觀量子中心研究員王中陽課題組和中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學實驗室研究員韓申生課題組合作，首次提出利用鬼成像方法加快超分辨率熒光光學顯微鏡的成像速度。新方法有望捕獲細胞內以亞毫秒速度發(fā)生的生物過程。相關研究成果以Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints 為題發(fā)表在美國光學學會刊物OPTICA上（DOI: 10.1364/OPTICA.6.001515），并被美國光學學會（The Optical Society, OSA）作為高影響研究工作在發(fā)表的同時同步向媒體進行宣傳推廣。
超分辨光學顯微技術通過克服光的衍射極限來實現(xiàn)納米級的分辨率。盡管傳統(tǒng)超分辨顯微鏡可以定位細胞內單個分子，并構建超分辨圖像，但在活細胞中卻很難使用，因為重建圖像需要成百上千幀——這個過程太慢，無法捕捉快速變化的動力學過程。為了解決這個問題，該研究團隊將隨機相位調制器加入到熒光顯微鏡中實現(xiàn)熒光信號的編碼，并結合鬼成像技術與隨機測量壓縮感知方法，大幅度提高圖像信息獲取效率，數(shù)量級地減少重構超分辨圖像所需的采樣幀數(shù)。研究結果表明，在高標記密度下只需要通過單幀熒光圖像的采樣就可實現(xiàn)80nm分辨率的超分辨光學成像。
此外，研究的新方法還與2014年諾貝爾獎三大超分辨率技術之一的隨機光學重建顯微鏡(STORM)相結合，將STORM的采樣幀數(shù)減少了一個數(shù)量級以上。研究結果顯示成像一個60nm的環(huán)，該方法只用10幀圖像就可以重構圖像，而傳統(tǒng)的STORM方法需要多達4000幀圖像才能達到同樣的效果。該方法還實現(xiàn)用100幀圖像分辨40nm標尺。并且研究的超分辨成像顯微鏡不需要高的照明強度，這有助于減少光漂白和光毒性，有利于長時間的動態(tài)生物過程和活細胞成像研究。因此這項創(chuàng)新技術有望在生物、醫(yī)學等超分辨顯微成像研究領域得到廣泛的應用。
圖：顯微鏡裝置示意圖與重構結果
文章的第一作者是上海高研院博士研究生李文文。該工作受到國家重點研發(fā)計劃（“數(shù)字診療裝備研發(fā)”專項）的資助。
