Light文献分享――无旁瓣超分辨成像：轴向分辨率突破至26 纳米_abio生物试剂品牌网
该研究由潘斌雄、王保菊、詹求强等学者共同完成，相关成果以“Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution”为题，于2025年发表在国际顶级光学期刊《Light:Science&Applications》上。
重要发现
01非线性激发与光学干涉的协同突破
UNEx-4Pi技术的底层逻辑源于对“光学非线性效应”的极致利用。传统4Pi显微术通过双物镜干涉压缩轴向点扩散函数（PSF），但固有旁瓣强度可达主峰值的60%，严重影响成像质量。而UNEx-4Pi引入镧系掺杂上转换纳米颗粒（如Yb³⁺/Pr³⁺共掺杂纳米颗粒），其光子雪崩效应可产生高达35阶的光学非线性响应。理论模拟显示，当非线性阶数N>10时，4Pi干涉场的旁瓣强度可被抑制至主峰值的0.1%以下，且轴向分辨率公式从传统的dz≈λ/3n优化为dz≈λ/3n√N，即非线性阶数越高，分辨率提升越显著。实验中，团队采用852nm连续激光激发18nm的PA纳米颗粒，通过镜面辅助的单物镜双焦自干涉策略，成功获得了轴向26nm、横向53nm的超分辨率聚焦斑，且在观测范围内完全消除了旁瓣。这一结果打破了传统认知——无需复杂的数学反卷积算法，仅通过物理机制即可实现“旁瓣清零”。
在 3D超分辨率生物成像实验中，UNEx-4Pi展现出卓越的光学切片能力。当对分布于镜面上的PA纳米颗粒进行成像时，传统LSM因衍射极限限制，无法分辨间距100nm的颗粒；4Pi显微术虽压缩了轴向PSF，但旁瓣导致图像模糊；而UNEx-4Pi不仅清晰分辨出相邻颗粒，其轴向分辨率经实测达26nm，较LSM的1277nm提升近50倍。进一步对BSC-1细胞的核膜进行标记成像时，UNEx-4Pi在轴向32nm分辨率下，无需后期处理即可清晰呈现核膜的精细结构，而传统4Pi与低阶非线性技术则因旁瓣残留或分辨率不足，无法分辨亚100nm的细节。这种“即拍即得”的超分辨率能力，得益于PA纳米颗粒的抗光漂白特性与UNEx-4Pi的低光毒性设计，实验中连续两小时的活细胞成像未观察到明显光损伤。
03 从双物镜到单镜单光束的极简升级
传统4Pi显微术依赖双物镜与多光路精准对齐，不仅硬件成本高昂，还需hourly校准。UNEx-4Pi通过“镜面反射替代双物镜”的设计，将系统简化为“单物镜+SLM相位调制+镜面”的结构，利用空间光调制器（SLM）生成双焦相位图案，经镜面反射后形成干涉场，等效于传统4Pi的双物镜聚焦效果。这种设计带来了惊人的稳定性，当焦点偏差达1个波长（850nm）时，传统4Pi的旁瓣强度会升至主峰值的80%，而UNEx-4Pi因超高非线性效应，仍能维持旁瓣强度<0.1%。实验验证其轴向动态扫描范围达12μm，足以覆盖贴壁生长的哺乳动物细胞，且无需轴向移动样本台，仅通过改变SLM图案即可实现3D成像，大幅提升了系统实用性。
创新与亮点
01旁瓣消除的物理革命
首次在真实空间中通过纯物理手段（而非算法）根除4Pi显微术的旁瓣难题。传统技术中，即使结合双光子激发（2PE），旁瓣高度仍达5%，而UNEx-4Pi利用35阶非线性效应，将旁瓣压制至“零观测”水平，从根本上解决了成像对比度与光漂白问题。
相较于isoSTED需六束激光+双物镜的复杂配置，UNEx-4Pi仅用单物镜、单束低功率连续激光（852nm CW）与一面反射镜，硬件成本降低60%以上，且无需频繁校准，系统稳定性提升10倍以上。
03 分辨率与实用性的双重跃升
轴向 λ/33（26nm）的分辨率不仅超越了现有单物镜技术，其“低功率+抗光漂白”特性更适用于活细胞长期监测。例如，在BSC-1细胞成像中，UNEx-4Pi以100μs/像素的扫描速度，实现了核膜结构的动态捕捉，而传统MINFLUX等技术因依赖高强度激光，难以完成类似观测。
总结与展望
UNEx-4Pi以“非线性光学+矢量场调制”的创新思路，重新定义了超分辨率成像的技术边界。从科学价值看，它首次证明了通过光学非线性效应可在远场实现物理空间的无旁瓣聚焦，为研究光与物质的纳米级相互作用提供了“精准探针”；从应用层面，其单光束、低光毒性的特性，使其在活细胞动态追踪、单分子定位等领域极具潜力——例如，文中展示的核膜32nm轴向分辨率，已能满足染色质结构解析的需求。未来，UNEx-4Pi的发展将聚焦两大方向，一是集成自适应光学技术，克服样本厚度带来的像差，将成像深度从当前的12μm扩展至100μm以上，以适应组织级三维成像；二是开发更快响应的光子雪崩材料，将扫描速度提升至毫秒级，实现细胞器动态过程的实时记录。此外，其超高非线性聚焦特性还可延伸至纳米光刻、光存储等领域，例如基于λ/33的聚焦精度，有望实现亚50nm的3D光刻线条，为下一代芯片制造提供技术储备。这项技术不仅是超分辨率成像的一次突破，更可能成为连接光学基础研究与纳米技术应用的关键桥梁。
声明：本文仅用作学术目的。
Pan B, Wang B, Ni Y, Zhao Q, Wang Y, CAI Y, Zhan Q. Sidelobe-free deterministic 3D nanoscopy with λ/33 axial resolution. Light Sci Appl. 2025 Apr 21;14(1):168.
DOI:10.1038/s41377-025-01833-x.
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