我国科学家成功研制国际首台高时空分辨受激布里渊显微镜

科技讯

2025

07/15

14:27

IT之家

　　7 月 15 日消息，中国科学院上海光学精密机械研究所传来振奋人心的消息：由杨帆研究员牵头，科研团队成功研制出国际首台高时空分辨受激布里渊显微镜。这一成果在科学界引发广泛关注，为相关领域的研究带来了新的曙光。

　　布里渊显微镜作为一种新兴的全光学、非接触、三维力学成像技术，具有高空间分辨率的显著优势。其工作原理是通过分析受激布里渊散射信号中的频移和谱宽信息，以此分别表征样品的弹性模量与粘性。正因如此，它在生物力学、肿瘤学、眼科学等诸多领域都展现出了巨大的应用潜力。然而，传统布里渊显微镜却面临着严峻的技术挑战。由于受激布里渊散射信号极其微弱，再加上系统本身的限制，导致传统布里渊成像速度极为缓慢，光谱分辨率也十分有限，根本无法满足对活体成像以及动态过程监测的迫切需求。

　　为了突破这一技术瓶颈，大幅提升成像速度，研究团队投入了大量精力，研制出一套创新型脉冲激光系统。该系统首先借助主振荡器 - 功率放大器结构，在 1560nm 波段成功产生纳秒级激光脉冲，随后通过二次谐波转换，顺利获得 780nm 脉冲光。不仅如此，团队还精心研制了一套自平衡探测系统，该系统具备强大的噪声抑制能力，实现了高达 31.3dB 的噪声抑制效果。得益于这一系列创新成果，该系统仅需 30mW 的平均功率，就能达到每像素仅 200 微秒的成像速度，这一速度远远领先于现有技术水平。

　　在上述技术基础上，研究团队成功搭建了脉冲激光 SBS 显微镜(PL-SBS)。该显微镜的工作模式为，将泵浦光与探测光聚焦到样品的同一位置，通过对样品进行扫描来实现三维成像，其系统测量空间分辨率达到了 0.49×0.49×2.1µm³。

　　研究团队以蒸馏水作为测试样品对显微镜性能展开测试。在每像素驻留时间仅为 200 微秒、平均光功率仅 30mW 的条件下，显微镜便获得了 7.7MHz 的频移精度。与之形成鲜明对比的是，QCW-SBS 系统在相同光功率下，却需要 20 毫秒的驻留时间才能达到类似精度水平。由此可见，研究团队成功将成像速度提升了两个数量级，首次在国际上达成了亚毫秒时间分辨与亚微米空间分辨的三维力学成像，为生命科学领域的力学研究提供了至关重要的工具。

　　为了进一步验证 PL-SBS 在生物力学成像方面的实际性能，研究团队对多种细胞系展开成像实验。其中包括对 HeLa 细胞不同 z 层面上的布里渊频移、谱宽和增益进行成像，获得的图像质量极高，细节清晰可辨。尤为值得注意的是，在成像结果中，核仁区域相较于核质区域，呈现出更高的布里渊频移和谱宽，且布里渊增益更低，这清晰地反映出明显的亚细胞结构力学差异。并且，获取每幅 2000×220 像素的图像仅仅需要 88 秒，成像速度得到了显著提升。

　　研究团队还将该系统应用于斑马鱼卵泡成像。此次成像结果意义非凡，首次揭示出卵母细胞中的 Balbiani 小体(一种无膜亚细胞结构)具有显著更高的布里渊频移，这一发现意味着 Balbiani 小体的刚度高于周围区域。这一成果充分凸显了 PL-SBS 系统在亚细胞尺度上具备的高空间分辨率和出色的力学灵敏度。

　　这项研究成果成功攻克了传统 SBS 显微镜在成像速度与灵敏度方面的技术难题，在多个生物模型实验中均展现出极为显著的性能优势。该高时空分辨受激布里渊显微镜有望成为深入揭示生命力学机制、积极探索疾病发生与发育动态过程的全新有力工具，推动布里渊显微技术朝着更广泛的基础研究与临床应用场景大步迈进，为人类在生命科学等领域的探索带来更多可能。

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