近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所楊帆研究員牽頭研制成功國際首臺(tái)高時(shí)空分辨布里淵顯微鏡，相關(guān)成果以題為 “Stimulated Brillouin scattering microscopy with a high-peak-power 780-nm pulsed laser system”的研究論文，發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。該系統(tǒng)在保持優(yōu)異成像質(zhì)量和高頻譜特異性的前提下，將布里淵顯微成像速度提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，首次在國際上實(shí)現(xiàn)亞毫秒時(shí)間分辨與亞微米空間分辨的力學(xué)成像，標(biāo)志著我國在三維力學(xué)顯微技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破，為生命科學(xué)中的力學(xué)研究提供了重要工具。

細(xì)胞和組織的力學(xué)性質(zhì)在功能調(diào)控、發(fā)育過程及疾病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，現(xiàn)有力學(xué)檢測技術(shù)如原子力顯微鏡和光學(xué)相干彈性成像受限于接觸性、淺層成像或空間分辨率不足，難以滿足高精度三維力學(xué)成像需求。

近年來，布里淵顯微成像作為新興的全光學(xué)、非接觸、三維力學(xué)成像技術(shù)，在力學(xué)生物學(xué)、眼科與腫瘤診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。特別是受激布里淵顯微鏡具備更高的空間和頻譜分辨率，但其長期受限于成像速度，典型單像素時(shí)間達(dá)20毫秒，嚴(yán)重制約了對動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)觀測。

為突破該瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一套波長為780nm、峰值功率為267W的高峰值功率、低占空比脈沖光纖激光系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合高抑噪自平衡探測方案實(shí)現(xiàn)超過31dB的噪聲抑制。最終系統(tǒng)在30mW平均功率下，實(shí)現(xiàn)了每像素僅200微秒的成像速度，大幅領(lǐng)先于現(xiàn)有技術(shù)水平。

研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)生物樣本上系統(tǒng)驗(yàn)證了性能優(yōu)勢：在單細(xì)胞、類器官、斑馬魚胚胎及卵泡的成像中，實(shí)現(xiàn)了0.49×0.49×2.1 μm3的空間分辨率和7.7 MHz頻移測量精度。特別是在斑馬魚胚胎中觀測到雙布里淵峰，揭示了異質(zhì)性細(xì)胞外基質(zhì)與腔體中的力學(xué)差異；在秀麗隱桿線蟲胚胎發(fā)育過程中，系統(tǒng)首次實(shí)時(shí)捕捉到早期細(xì)胞分裂中的力學(xué)動(dòng)態(tài)變化，展現(xiàn)了其出色的時(shí)空分辨能力與生物應(yīng)用潛力。

脈沖激光受激布里淵顯微成像技術(shù)應(yīng)用于各種生物樣品顯微成像。

圖注a-h斑馬魚幼蟲的明場和布里淵成像結(jié)果；i-j線蟲胚胎的明場和布里淵成像結(jié)果；k-n海拉細(xì)胞的明場和布里淵成像結(jié)果；o-r成纖維細(xì)胞的明場和布里淵成像結(jié)果；s-t斑馬魚卵泡的明場和布里淵成像結(jié)果。

該成果由中國科學(xué)院上海光機(jī)所齊云研究員為第一作者，楊帆研究員和陳衛(wèi)標(biāo)研究員為共同通訊作者。研究工作得到上?？萍即髮W(xué)謝菁菁研究員、中國科學(xué)院腦智卓越中心杜久林研究員、蔡時(shí)青研究員以及浙江大學(xué)夏鵬研究員團(tuán)隊(duì)的鼎力支持，并獲國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院項(xiàng)目資助。

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