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论文基本信息

• 标题：
  Metasurfaces for Infrared Multimodal Microscopy: Phase Contrast and Bright Field

  作者：
  通讯作者 Shaban B. Sulejman（墨尔本大学物理学院）
  Lukas Wesemann（墨尔本大学物理学院）
  Mikkaela McCormack（Dorevitch Pathology）
  Jiajun Meng（墨尔本大学物理学院）
  James A. Hutchison（墨尔本大学化学学院）
  Niken Priscilla（墨尔本大学物理学院）
  Gawain McColl（弗洛里神经科学研究所）
  Katrina Read（St Vincent’s Private Hospital）
  Wilson Sim（皇家墨尔本理工大学理学院）
  Andrey A. Sukhorukov（澳大利亚国立大学物理研究院电子材料工程系）
  Kenneth B. Crozier（墨尔本大学物理学院）
  通讯作者 Ann Roberts（墨尔本大学物理学院）

  发表时间：
  2025年02月24日（其中2024年10月27日投稿，2025年02月06日返修，2025年02月12日接收）

  期刊：
  ACS Photonics（JCR-Q1，IF=9.5）

• 论文快览：

  • 解决的问题
    针对微生物学和病理学中对透明细胞与未染色组织成像的需求，传统相差和明场显微镜往往设备庞大、难以在资源有限场景应用。此外，现有多模融合方案通常需额外光路或后期处理，难以实现快速一体化成像。

    提出的方法
    本文基于高折射率硅纳米谐振结构，在玻璃基底上制备一款超表面，用于近红外下的相衬与明场双模显微成像。其思路是利用硅质Mie共振对偏振态产生截然不同透射：当入射光偏振与纳米棒长轴平行时，形成线性光学传递函数，将样品相位梯度映射为强度对比；垂直偏振下透射平坦，可获得近似明场。实验中只需切换线偏振方向，无需额外组件或后期算法，即可在明场与相衬间快速切换，并可通过2°倾斜样品来保留背景亮度，实现接近微分干涉的Pseudo-3D成像。该装置易于集成、能耗低，可扩展至多功能组合，为便携式医学显微检测提供了可行路径。

    实现的效果
    在C. elegans线虫、前列腺癌细胞及乳腺组织等样本上演示了同一光路内的双模态成像。结果显示，相衬模式可辨别透明结构及细节，明场模式保留吸收轮廓，实验分辨率约2.85微米，视场约500微米。

    创新点分析
    本研究在基础光学原理上融合Mie共振与线性光学传递函数，实现了极简偏振可调双模显微；在技术上利用硅纳米棒阵列一次性实现相衬/明场切换，并保持较宽视场与实时成像能力；在应用层面具备便携、免染色和适应生物医检的潜能。

论文重要图文：

摘要：不同的成像方式用于可视化光场中所携带的多样信息。两种突出的非计算成像方式包括亮场显微镜和相位差显微镜，分别能够在图像中产生与样品振幅和相位特征相关的对比度。通常，这些应用所需的设备（例如体积庞大的显微镜）的尺寸和成本可能限制了其在设备齐全的实验室之外的可用性。此外，在同一显微镜的相机上捕获相位差和亮场图像通常需要更换光学元件。超表面是超薄纳米结构，在向成像系统小型化迈进的过程中，可以将这两种操作合并到单一的小型化器件中。本文展示了一种基于硅的超表面，该超表面支持 Mie 共振，能够实现非计算型近红外相位差和亮场多模态显微镜成像，其成像模式可通过改变照明偏振进行调控。我们利用空间光调制器合成的具有相位变化的光场以及通过半透明样品（包括未染色的人前列腺癌细胞和乳腺组织）传播引入的光场进行了实验。结果展示了超表面在实验室以外用于无标记现场检测的小型化光学系统中的潜在应用。

结论：总之，我们利用超表面展示了一种偏振可调的全光近红外多模态显微镜成像技术，适用于生物及其他样品。该超表面对沿某一方向偏振的光展示出近似线性的光学传递函数，这是由于激发了 Mie 共振，同时对正交偏振则保持近似平坦的光学传递函数。这一特性使得相位差与亮场成像之间实现了最高达 δ = 93% 的切换对比度。该技术在包括前列腺癌细胞和乳腺组织等一系列样品上均得到了实验验证。值得注意的是，我们在一位乳腺癌患者的未染色乳腺组织中区分了乳腺导管和血管。总体而言，这些结果的重要性在于它们能够填补其他技术无法使用或需要复杂样品制备的空白，为小型化成像技术的发展迈出了重要一步，并在现场检测和远程病理学中展现出有前景的应用。

图1. 超表面设计

图2. 超表面的光学响应

图3. 由空间光调制器产生的样品的可调多模态显微镜成像

图4. 生物样品的可调多模态显微镜成像

图5. 人乳腺组织的可调多模态组织学

参考文献：

• Shaban B. Sulejman, Lukas Wesemann, Mikkaela McCormack, Jiajun Meng, James A. Hutchison, Niken Priscilla, Gawain McColl, Katrina Read, Wilson Sim, Andrey A. Sukhorukov, Kenneth B. Crozier, and Ann Roberts

  ACS Photonics Article ASAP

  DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02097

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