具有观察亚细胞动力学和纳米结构的高分辨快速成像的定量相位显微术

10. Zheng et al., “High spatial and temporal resolution synthetic aperture phase microscopy,” Adv. Photon. 2(6), 065002 (2020). doi: 10.1117/1. AP.2.6.065002

显微镜是多种研究领域和行业应用的重要工具，如生物学、医学、材料科学和元器件质量监控等。现有的各类显微成像技术会在分辨率、成像速度、视场、灵敏度、可适用领域等方面有所权衡，各有侧重。例如，扫描电镜可以达到纳米级别的成像分辨率，但成像速度很慢，以至于只能对特定样品，尤其是静态样品显微成像。其他的光学显微技术（如荧光显微术），由于需要标记这一环节，并不适用于透明、薄层结构的样品观察，比如活细胞或者更小的亚细胞结构成像。 

在这样的背景下，合成孔径显微术（SAM），一种全新的，利用光的内源特性——“相位”作为成像参数的技术，被研究者提出。该技术克服了传统光强成像技术在处理透明样品时存在对比度过低，导致无法清晰成像的问题。“相位”，是指两种电磁波之间的相对延迟，具体来说就是当光波通过样品时，它们的相对相位会因为样品中每个点的光学性质（特别是折射率）和入射光的角度不同而发生变化。合成孔径显微技术可以在入射角不同的情况下快速、连续拍摄多幅相位图，并将这些图像处理并组合成更清晰的三维成像结果。

合成孔径显微术毫无疑问是一种非常有前景的成像方法，但是现有技术无法实现高空间分辨率与高成像速度的完美结合。为了解决这个非常棘手的问题，最近，由香港中文大学的周仁杰团队主导，联合麻省理工学院团队、浙江大学团队共同开发了一种新型合成孔径显微成像方法，成果发表在《Advanced Photonics》。这一新型成像系统的主要创新点在于合成孔径显微术与数字微镜器件的高效结合。

数字微镜器件是一种广泛应用于投影仪的电子元件。它主要由一个微镜矩阵构成，微镜的偏转方向能被独立控制。研究人员只需利用两个数字微镜器件和合适的透镜，便可使入射光束的角度以数千次每秒的速度改变。入射光透射过样本后，会与原始激光器的一部分光束（参考光）相干叠加，产生一种携带相位信息的图像，称为干涉图。为了生成最终的相位图像，需要使用专门设计的算法对不同入射角下的多个干涉图进行重建。

周仁杰率领的研究团队已经利用这个系统测试了多种样品，如纳米光栅、红细胞和癌细胞等。实验的结果非常振奋人心，就像周教授所说：“使用我们研发的全新合成孔径显微成像技术，可以准确地对材料精细结构进行成像分析，分辨率可高达到132纳米。该技术还可以用来定量测量亚细胞结构毫秒级波动的情况，并以此观察细胞暴露在化学物质或者药物下的动态生理变化。” 更具有吸引力的是，这项技术无需染色标记，这意味着我们可以在避免使用可能对细胞有害的荧光化学物质的同时，实现了对活细胞的实时高分辨成像。

这种新方法的另一个显著优点是可以消除激光散斑——一种在使用激光照射样品时产生的干扰。通过对多张干涉图的合成，使得每张图中存在的随机散斑被抵消，从而使最终的合成图像更加清晰。此外，当达到了所需的图像质量后，可以通过使用减少干涉图数量来增加成像帧率。

周仁杰认为，依赖于数字微镜器件的合成孔径显微成像技术将有可能掀起某些成像领域的变革，“我们相信，在未来，高速成像技术一定会在生物学和材料研究领域有充分的用武之地，如研究活细胞的运动及动态变化，细胞间的相互作用，实时监控材料制造过程以达到质量控制的目的，等等。”此外，他还指出，该技术可通过使用帧率更高的相机来实现更快的成像，而且仅需做算法调整即可实现高质量衍射层析成像。

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文章信息：

Cheng Zheng, Di Jin, Yanping He, Hongtao Lin, Juejun Hu, Zahid Yaqoob, Peter T. C. So, and Renjie Zhou., “High spatial and temporal resolution synthetic aperture phase microscopy,” Adv. Photon. 2(6), 065002 (2020).

 论文地址：

doi: 10.1117/1. AP.2.6.065002

周仁杰教授将在于2021年1月12日-14日举办的SPIE大会上专门讲解这门技术，欢迎大家扫描以下二维码注册参与线上会议！