显微镜是人类探测微观世界的锐利“眼睛”，自其诞生以来，多次见证了生物学、医学、材料学等领域的重大发现。
图1 WF-8R 微分干涉显微镜
然而衍射极限犹如蒙蔽“眼睛”的一块“纱布”，使得传统显微镜无法观测到尺寸200nm以下的物体。如何将普通的“眼睛”锤炼成孙悟空的“火眼金睛”，打破衍射极限的桎梏，科学家们打开了无尽的脑洞。
1994年， Stefan W. Hell提出了受激发射损耗显微技术(STED)，它是利用受激发射来抑制激发点扩散函数尺寸，缩小扩散光斑直径，来提高分辨率。先试用绿色激光激发样品，再使用环形的橙色光将边缘湮灭，只留下中间很小区域的荧光，这样就能获得超越衍射极限的荧光点，最后这些“小点”拼接成一幅图像。就好像绘画涂色时不小心画出了框，使用橡皮把多余的部分擦掉。
图2 STED成像原理及成像效果
2006年，哈佛大学Xiaowei Zhuang提出了随机光学重构显微技术(STORM)，该方法分别使用红色与绿色激光控制荧光分子不停地激发和湮灭，不同位置的荧光分子被依次随机激发，最后将每次拍摄到的荧光分子互相叠加就可以重构出超分辨图像。如同使用延时摄影拍摄云朵遮蔽的星空，虽然有一些星星被云朵遮蔽，但经过长时间的不断拍摄，总能记录所有的星星。
图3 STORM成像原理及成像效果
这些“奇思妙想”让人大开眼界，也极大推动了生物医学领域的发展，然而这些方法的实施有较高的技术、资金等方面的“门槛”。
随着超分辨成像技术的逐步成熟，科学家开始思考有没有什么方法可以更简单的实现超分辨成像呢？
2011年，Zengbo Wang团队发现，将直径数微米或数十微米的二氧化硅微球、钛酸钡微球等均质透明微球播撒在样品上，使用传统显微镜就能观测到样品上50nm的细节特征。一个个微球如同一个个微型的“放大镜”，在物镜观测样品之前首先对样品进行一次“放大”，极大地提升了物镜的观测能力。
图4 微球透镜技术及其成像效果
随后不同的微球使用方式如雨后春笋一般应运而生，如薄膜封装、微悬臂固定、镜头适配器安装等等，但这些方式只能“粗糙”的使用微球这柄“放大镜”。无法有效地发挥微球的成像能力。
图5 微球透镜的使用方式。（a）薄膜封装，（b）微悬臂固定，（c）镜头适配器安装。
我们参考前人经验，设计了一款一体化微球物镜，使用固定套筒和旋转套筒将微球与物镜结合一体，相当于给物镜又戴了个“眼镜”，可以看清以前物镜看不见的微小样品。固定套筒与物镜紧固，微球通过平凸透镜固定在旋转套筒上，通过旋转套筒绕Z轴的旋转调节微球与物镜之间的距离。并且它可以安装在传统显微镜上使用，不需要搭建复杂的实验系统。
6 一体化微球物镜的示意图及实物图
图
对比电子显微镜和传统显微镜的成像效果，使用一体化微球物镜可以看到传统显微镜看不到的样品特征，最高可以观测到100nm的样品特征，极大提升了传统显微镜的成像效果。
图7 三种显微镜成像效果对比
然而，一体化微球物镜的视场最大只有几十个平方微米，如同“管中窥豹”只能看到样品的一块“斑纹”。我们结合电动位移台进行图像拼接，实现了更大视场的成像效果，可以轻松看到“全豹”。
图8 图像拼接实现大面积成像
附件下载：
