光子反聚束的量子关联使生物成像中的图像扫描显微镜的分辨率提高了两倍，四倍于衍射极限。

生物成像传统上使用明亮的经典光，光的波动性对可实现的分辨率提出了基本限制，这是几个世纪前由瑞利和阿贝定律决定的。尽管量子态光在分辨率增强成像方面具有已知的优势，但它的广泛应用却受到了极大的现实障碍。 罗恩·坦恩（Ron Tenne）和他的同事们在《Nature Photonics》报道中展示了经典的图像扫描显微镜（ISM）超分辨率方法的量子版本，并将其应用于图像生物物质。他们的方法结合了将光视为量子粒子（光子）处理的能力和ISM的结构化照明（波）方法，以实现超过经典衍射极限的四倍分辨率增强。重要的是，这一点在传统的共焦显微镜装置中得到了证明，只做了微小的修改，为生物的实际量子成像带来了激动人心的前景。

图1 Q-ISM成像方法。在Q-ISM中，通过用光纤束阵列收集光并测量收集光（ISM）以及到达光纤对的光子的重合度（示例对以红色显示），对传统的共聚焦显微镜设置进行了修改，从而提供了空间和时间控制。紫色箭头是入射光。从发射器的泊松统计数据中的期望值减去光子重合度测量的二阶强度相关函数，以找到丢失的光子对。由于光子的反聚束作用，经过一些常规的数据处理，ISM点扩展函数在Q-ISM中的分辨率增加了四倍。插图显示了传统扫描（左）单发射极量子点的图像以及处理后的Q-ISM图像（右）。比例尺，500nm。分辨率的提高是由于违反了阿贝-瑞利衍射极限的两个假设：在探测量子粒子时使用构化照明。

经典成像的分辨率在过去几十年中有了显着改善，这主要是由生物科学中“看到更小”的需求所驱动的。出现了几种突破经典衍射极限的超分辨率方法，至少违背了瑞利和阿贝的一个基本假设。图像扫描显微镜通过使用结构化的光照明而不是样品的均匀照明来实现这一点，在一些常规的图像处理之后提供了一种潜在的双重分辨率增强。量子光也有望用于分辨率增强成像，包括达到次散粒噪声水平和用稀疏光子探测，但由于量子态的脆弱性和生物物质的嘈杂环境，在生物物质成像方面仅取得了有限的成功。

现在，Tenne和他的同事们通过利用单光子发射器的反聚束特性克服了这些局限性，表明生物样品中的光子相关性可以作为超分辨图像的对比度。作者提出了他们的方法量子ISM（Q-ISM），这是一种用于超分辨率量子成像的量子增强版ISM（图1）。他们首先在样品中以约10纳米的尺度激发嵌入的量子点，这些量子点被标记为固定细胞中的微管，然后用光纤束阵列收集发出的光——这是一种传统（经典）的ISM方法，这种设备目前在市场上可买到，比传统的共聚焦显微镜有两倍的分辨率增强。但是，他们不仅通过每根光纤收集空间分辨光，还通过观察到达成对光纤的光子的重合度来考虑时间分辨力，每个光纤都装有纳秒时间分辨力的小像素单光子雪崩探测器（SPAD）。提高分辨率的关键问题就在这些纳秒分辨率的单光子雪崩二极管。

在量子重影成像中众所周知，“同时发生”包含着巨大的信息，事实上比“单次发生”要多得多。同样，除了每根光纤的单个信息（经典ISM数据）之外，成对光纤之间的重合也包含有价值的信息。解锁这些额外的信息会产生额外的两倍的分辨率增强，最多可获得四倍的整体增强。有趣的是，关键在于寻找不存在的光，作者称之为缺失的光子对。根据亚泊松统计，光的量子性质意味着每个量子点只发射一个光子。通过检测成对光纤之间的光子重合，我们可以发现缺失的光子，比从类泊松源中预期的要少。利用这些信息，发射源即使在高密度、几乎完全重叠并发射相同光子的情况下，也可以利用单光子反聚束效应成像和解析样品。这是因为没有一个发射器能产生两个光子，即使它是由含有两个光子的源激发的。因此，任何巧合的光子检测都必须来自另一个发射器，而不管其距离如何。探测器处的非线性响应导致了对衍射极限假设的违背，因此允许分辨率增强。使用ISM的方法和丢失的符合信号（量子）中的信息可以使Q-ISM增强四倍。其优点也适用于轴向，随着距离的增加，量子信号急剧下降，从而提高了轴向分辨率。这使得Q-ISM适用于生物样品的Z切片，通常比轴向衍射极限厚得多。换句话说，这种方法允许在三维空间中量子“视觉”增强。

Q-ISM的一个关键特征是，它只需要对传统的显微镜设置进行细微的修改，用具有良好时间分辨率的小像素探测器替换针孔，从而减轻了与利用量子态同义的复杂性。此外，实现单光子发射所需的低光照水平具有最受欢迎的优势——它可以防止荧光团漂白，并降低对生物物质的光损伤风险，这是其他超分辨率技术，特别是受激发射损耗（STED）显微镜所面临的问题。至关重要的是，Q-ISM对比度取决于丢失光子对的绝对数量。它随着发射器数量的增加而增加，因此Q-ISM更能容忍样品中标记物的密度，意味着更高的密度意味着更好的经典信噪比（SNR）。这就产生了一个令人信服的例子：在低分辨率的经典成像部分保持良好的信噪比的同时在低信噪比的量子成像部分保持高分辨率。

虽然Q-ISM有很多优势，但是也还有需要改进的余地。Q-ISM需要很长的数据采集时间来克服低量子信噪比，目前还不是很广泛的研究领域；Q-ISM需要单光子发射器，这使其与无标签方法（如受激拉曼光谱和光热光谱）不兼容。在未来，有可能合并ISM和Q-ISM的数据以形成一个经典量子混合图像，因为两者都是同时测量的，因此描述了相同的场景，而SPAD阵列的最新进展（现在有更低的噪声、更快的响应和512×512像素的大阵列SPAD）可能会带来更快、更宽视野的Q-ISM。结合量子测量和众所周知的经典方法的可能为更好地了解生物过程开辟了新的成像选择。Tenne和他的同事为ISM提供了一个很有前途的例子，人们不禁想知道，用类似的方法，还有什么其他的技术可以受益。例如，是否有可能以类似的方式替换STED显微镜中使用的检测器？但同时挑战不容小觑，因为有必要首先开发可选择性失活的单光子源。

从历史上看，量子成像系统未能达到其经典对应系统的性能，阻碍了其应用。Tenne及其同事的进展表明，量子成像可以在不牺牲经典信息的情况下添加新信息。他们展示了两个世界最好的混合成像解决方案。这表明，随着Q-ISM和ISM的合并，实际的量子增强成像系统现在已经出现，为集成到商业设备中开辟了一条清晰的道路。

来源： Nature Photonics

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