【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所楊帆研究員牽頭研制成功國際首臺高時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數(shù)量級，首次在國際上實現(xiàn)亞毫秒時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，典型單像素時間達20毫秒，嚴(yán)重制約了對動態(tài)過程的實時觀測。
為突破該瓶頸，研究團隊開發(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)，同時結(jié)合高抑噪自平衡探測方案實現(xiàn)超過31dB的噪聲抑制。最終系統(tǒng)在30mW平均功率下，實現(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。
研究團隊在多個生物樣本上系統(tǒng)驗證了性能優(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)首次實時捕捉到早期細(xì)胞分裂中的力學(xué)動態(tài)變化，展現(xiàn)了其出色的時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。研究工作得到上海科技大學(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、蔡時青研究員以及浙江大學(xué)夏鵬研究員團隊的鼎力支持，并獲國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院項目資助。
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