衍射光学元件提升纳米级三维多分子追踪的深度与分辨率

本文主要探讨了具有长景深的衍射光学元件(DOE)在纳米级三维多分子跟踪中的设计、制造和实验验证。在生命科学研究中，实时单分子检测和跟踪技术对于理解生物过程中的分子行为至关重要，但传统显微镜的景深限制一直是困扰这一领域的一大问题。作者们借鉴变形光栅多阶成像和双螺旋点扩散函数(PSF)成像的优势，提出了一种创新的DOE设计，通过波前编码原理将这两种技术相结合。 DOE设计的关键在于其独特的结构，包括畸变衍射光栅与双螺旋点扩展函数PSF相板的集成。这种设计使得元件具备多重平面成像能力，同时具备双螺旋PSF的特性，这有助于显著增加景深，以便在活细胞内实现对多个分子的长时间、高分辨率追踪。实验结果显示，在基于新型DOE的自建显微镜系统中，景深能够达到12微米，这与理论预测高度吻合，证实了这一新型设计的有效性和实用性。 这项工作的重要性体现在它能够突破传统显微镜技术的局限，推动生命科学研究的进展，尤其是在细胞生物学领域，能够更深入地研究细胞内部复杂的大分子相互作用，以及这些相互作用如何影响生命过程。关键词包括“多分子追踪”、“衍射光学元件”、“变形光栅”和“双螺旋点扩散函数”，PACS分类涵盖了光学、量子光学和生物物理等多个领域。 作者们通过深圳大学光电工程学院和清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的合作，不仅完成了DOE的设计与制备，还构建了相应的实验平台，验证了该技术的实际应用潜力。这篇论文发表在《物理学报》上，强调了这项研究对于单分子追踪技术发展的重要贡献，以及对生物科学领域未来研究的潜在影响。总体来说，这篇文章提供了一个突破性技术，有望显著提升活细胞内多分子追踪的深度和范围。