傅里葉變換顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)成像的新突破

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)細(xì)胞和組織的機(jī)械特性進(jìn)行精確測(cè)量對(duì)于理解其功能和行為至關(guān)重要。傳統(tǒng)的測(cè)量方法往往存在接觸式測(cè)量、表面限制或分辨率低等局限性。近年來(lái)，布里淵顯微鏡作為一種新興的光學(xué)彈性成像技術(shù)，能夠以非接觸、無(wú)標(biāo)記的方式對(duì)生物樣品的黏彈性特性進(jìn)行三維成像。然而，由于自發(fā)布里淵散射的截面較低，導(dǎo)致信號(hào)微弱，傳統(tǒng)的布里淵顯微鏡成像速度較慢，限制了其廣泛應(yīng)用。近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature Photonics》的研究成果——基于傅里葉變換光譜儀的全視場(chǎng)布里淵顯微鏡（FTBM）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為解決這一難題提供了創(chuàng)新解決方案。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
生物力學(xué)成像的重要性
細(xì)胞和組織的力學(xué)特性與其功能密切相關(guān)。例如，細(xì)胞彈性的變化與癌癥、纖維化等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)；組織粘性的異�？赡軐�(dǎo)致心血管疾病等。因此，精確測(cè)量生物樣本的力學(xué)特性對(duì)于疾病診斷、藥物研發(fā)等具有重要意義。

傳統(tǒng)布里淵顯微鏡的局限性
布里淵顯微鏡通過(guò)檢測(cè)光與樣本中熱誘導(dǎo)密度漲落相互作用產(chǎn)生的布里淵散射信號(hào)來(lái)獲取樣本的力學(xué)信息。然而，自發(fā)布里淵散射截面非常小，導(dǎo)致散射概率極低（約10^-12），這使得傳統(tǒng)布里淵顯微鏡需要長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)積分，成像速度極慢。例如，獲取一幅50-250像素的二維圖像通常需要數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)。此外，傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)采集效率、光譜分辨率和三維成像能力等方面也存在顯著不足，難以滿足生物醫(yī)學(xué)研究對(duì)快速、高分辨率成像的需求。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
傅里葉變換成像光譜儀的應(yīng)用
FTBM的核心創(chuàng)新在于采用了定制的傅里葉變換成像光譜儀。傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀通過(guò)測(cè)量干涉儀輸出光強(qiáng)隨光程差的變化，再經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到光譜信息。然而，對(duì)于布里淵成像所需的亞吉赫茲（sub-GHz）高光譜分辨率，傳統(tǒng)方法需要采集大量數(shù)據(jù)點(diǎn)（約10^6個(gè)），導(dǎo)致成像時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。FTBM通過(guò)巧妙利用布里淵光譜的對(duì)稱性，僅需采集少量數(shù)據(jù)點(diǎn)（約100個(gè)）即可重建光譜，將數(shù)據(jù)采集量大幅減少超過(guò)10,000倍，從而顯著提高了成像速度。

原子氣室過(guò)濾技術(shù)
為了抑制強(qiáng)瑞利散射背景對(duì)布里淵信號(hào)的干擾，F(xiàn)TBM引入了原子氣室（如87Rb蒸汽室）。該氣室能夠有效吸收彈性散射光，同時(shí)不影響布里淵信號(hào)，從而提高了信號(hào)的信噪比，使得在生物樣本中的實(shí)際應(yīng)用成為可能。

應(yīng)用領(lǐng)域
FTBM的這些創(chuàng)新技術(shù)使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在癌癥研究中，它可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腫瘤細(xì)胞彈性的變化，幫助早期診斷和治療評(píng)估；在發(fā)育生物學(xué)中，能夠動(dòng)態(tài)觀察胚胎發(fā)育過(guò)程中組織力學(xué)特性的演變；在材料科學(xué)中，可用于表征生物材料的力學(xué)性能，為組織工程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了FTBM的性能。在對(duì)由油珠嵌入瓊脂制成的異質(zhì)phantom成像中，F(xiàn)TBM成功獲取了高分辨率的三維布里淵圖像，清晰顯示了樣本的力學(xué)異質(zhì)性。例如，在油珠與瓊脂的界面處，F(xiàn)TBM能夠精確分辨出兩者的布里淵頻移和線寬差異，空間分辨率達(dá)到約1.2μm。

在對(duì)活體斑馬魚(yú)幼體的成像實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)TBM在245×240×151μm³的視場(chǎng)內(nèi)，以56mW的總照明功率，成功獲取了脊索周圍區(qū)域的高信噪比布里淵頻移圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰顯示了脊索的解剖結(jié)構(gòu)，如空泡細(xì)胞和中央管等，驗(yàn)證了FTBM在活體生物樣本成像中的可行性。

性能優(yōu)勢(shì)
成像速度：FTBM的吞吐量達(dá)到每秒40,000個(gè)光譜，相比傳統(tǒng)共聚焦方法提升了約三個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速三維成像。

光譜精度：實(shí)驗(yàn)測(cè)得布里淵頻移的精度約為70MHz，線寬精度約為120MHz，滿足生物醫(yī)學(xué)研究對(duì)光譜分辨率的要求。

光毒性：FTBM所需的照明能量?jī)H為每像素11μJ，遠(yuǎn)低于共聚焦布里淵顯微鏡（約0.5-5mJ/像素），顯著降低了光毒性，適用于光敏生物樣本的長(zhǎng)期觀察。

空間分辨率：通過(guò)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)TBM實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)目臻g分辨率，能夠清晰分辨微米級(jí)結(jié)構(gòu)。

總結(jié)與展望
FTBM技術(shù)作為一項(xiàng)創(chuàng)新的布里淵顯微鏡技術(shù)，為生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破。其高速、高分辨率和非接觸式的成像特點(diǎn)，使得對(duì)生物樣品的機(jī)械特性進(jìn)行快速、精確的測(cè)量成為可能。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用范圍的拓展，F(xiàn)TBM有望在細(xì)胞力學(xué)、組織工程、疾病診斷等領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為揭示生物系統(tǒng)的力學(xué)奧秘提供更為強(qiáng)大的工具。

DOI:org/10.1038/s41566-025-01619-y.