摘要：这一缺陷推动了振动成像技术的发展，该技术可以在不改变样品的情况下，根据分子独特的化学键识别分子。这些方法可以检测样品吸收中红外 (MIR) 光时发生的物理变化，例如由热吸收引起的折射率变化或温度引起的声信号。然而，现有方法通常难以应对微弱的信号水平，难以同时实

如今的超分辨率显微镜已经能够以前所未有的细节观察纳米级世界。然而，它们需要荧光标记，而荧光标记只能揭示结构细节，却无法提供被研究样品的化学信息。

这一缺陷推动了振动成像技术的发展，该技术可以在不改变样品的情况下，根据分子独特的化学键识别分子。这些方法可以检测样品吸收中红外 (MIR) 光时发生的物理变化，例如由热吸收引起的折射率变化或温度引起的声信号。然而，现有方法通常难以应对微弱的信号水平，难以同时实现高分辨率（能够看到多精细的细节）和强化学对比度（能够很好地区分分子）。

据《先进光子学》报道，一种新开发的技术——结构化照明中红外光热显微镜（SIMIP）现在解决了这一限制，其分辨率是传统显微镜的两倍。

这项新技术由中国浙江大学张德龙教授领导的研究人员开发，代表了振动成像领域的重大进步，为纳米级化学和生物分析开辟了新的可能性。

张教授指出：“SIMIP显微镜将结构化照明显微镜的原理与中红外光热检测相结合。中红外光电检测提供化学特异性，而结构化照明显微镜则增强了样品的空间分辨率。”

该系统由量子级联激光器(QCL)组成，可激发特定的分子键，引起局部加热，从而降低相邻荧光分子的亮度。同时，由 488 nm 连续波激光器和空间光调制器(SLM) 组成的 SIM 系统产生条纹光图案，并以不同角度投射到样品上。

这些图案形成了莫尔条纹，将先前无法解析的高频细节编码成可检测的低频信号，并被科学CMOS（sCMOS）相机捕捉到。通过比较有振动吸收和无振动吸收的图像，SIMIP重建了富含化学和空间信息的高分辨率图像。

该团队应用 Hessian SIM 和稀疏反卷积算法实现了更高的空间分辨率，高达约 60 纳米，成像速度超过每秒 24 帧，超越了传统的

MIR 光热成像。

为了验证 SIMIP 的准确性，研究人员在嵌入热敏荧光染料的 200 纳米聚甲基丙烯酸甲酯珠子上进行了测试。通过在 1,420 至 1,778 cm -1范围内扫描 QCL，SIMIP 成功重建了振动光谱，与傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱的结果非常接近。

在分辨率方面，SIMIP 比传统的中红外光热成像提高了 1.5 倍，其半峰全宽 (FWHM) 为 335 nm，而标准方法为 444 nm。此外，它能够区分亚衍射聚集体中的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯珠子，而这在标准荧光显微镜下是无法实现的。

SIMIP 的另一个优势是它能够检测自发荧光——某些生物分子发出的自然荧光。这可以通过从宽场 SIM 切换到点扫描 SIM 来实现，从而实现自发荧光的结构化激发，或者通过使用波长较短的探测光束进行宽场光热检测，以增强与现有光学装置的兼容性。

通过将SIM与MIP相结合，SIMIP实现了超越衍射极限的高速超分辨率化学成像。该方法为材料科学、生物医学研究和化学分析领域的观察开辟了新的可能性。例如，研究人员设想利用SIMIP检测小分子代谢物并分析它们与细胞结构的相互作用。

该团队目前计划增强 SIMIP 的时间同步，以进一步提高成像速度和精度，并探索温度敏感染料以提高灵敏度。只需对现有 SIM 系统进行少量硬件修改，SIMIP 即可在全球实验室中得到应用。

来源：小郑说科学